Почему все реальные процессы необратимы: Обратимые и необратимые процессы

Обратимые и необратимые процессы в термодинамике

Определение 1

Обратимый процесс считается в физике процессом, который возможен для проведения в обратном направлении таким образом, что система будет подвержена прохождению тех же состояний, но в обратных направлениях.

Рисунок 1. Обратимые и необратимые процессы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 2

Необратимый процесс считается процессом, самопроизвольно протекающим исключительно в одном направлении.

Термодинамический процесс

Рисунок 2. Термодинамические процессы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Термодинамический процесс представляет непрерывное изменение состояний системы, которое происходит в итоге ее взаимодействий с окружающей средой. Внешним признаком процесса будет считаться в таком случае изменение хотя бы одного параметра состояния.

Реальные процессы изменения состояния проистекают при условии присутствия значительных скоростей и разностей потенциалов (давлений и температур), существующих между системой и средой. В подобных условиях появится сложное неравномерное распределение параметров и функций состояния, исходя из объема системы, пребывающей в неравновесном состоянии. Термодинамические процессы, предусматривающие прохождение системы через ряд неравновесных состояний, будут называться неравновесными.

Готовые работы на аналогичную тему

Изучение неравновесных процессов считается сложнейшей для ученых задачей, поскольку разработанные в рамках термодинамики методы приспособлены в основном для исследования равновесных состояний. К примеру, неравновесный процесс весьма сложно рассчитывается посредством уравнений состояния газа, применимых для равновесных условий, в то время, как в отношении всего объема системы давление и температура обладают равными значениями.

Возможно было бы выполнять приближенный расчет неравновесного процесса путем подстановки в уравнение средних значений параметров состояния, но в большинстве случаев осреднение параметров по объему системы становится невозможным.

В технической термодинамике в рамках исследования реальных процессов условно принимают распределение параметров состояния равномерным образом. Это, в свою очередь, позволяет воспользоваться уравнениями состояния и иными расчетными формулами, полученными с целью равномерного распределения в системе параметров.

В некоторых конкретных случаях погрешности, обусловленные подобным упрощением, незначительны и при расчете реальных процессов их возможно не учитывать. Если в результате неравномерности процесс ощутимо отличается от идеальной равновесной модели, то в расчет внесут соответствующие поправки.

Условия равномерно распределенных параметров в системе при изменении ее состояния, по существу подразумевают взятие идеализированного процесса в качестве объекта исследования. Подобный процесс при этом состоит из бесконечно большого количества равновесных состояний.

Такой процесс возможно представить в формате протекающего настолько медленно, что в каждый конкретный момент времени в системе установится практически равновесное состояние. Степень приближения такого процесса к равновесному окажется тем большей, чем меньшей будет при этом скорость изменения системы.

В пределе мы приходим к бесконечно медленному процессу, предоставившему непрерывную смену для состояний равновесия. Подобный процесс равновесного изменения состояния будет называться квазистатическим (или как бы статическим). Такому виду процесса будет соответствовать бесконечно малая разность потенциалов между системой и окружающей средой.

Определение 3

При обратном направлении квазистатического процесса система будет проходить через состояния, аналогичные тем, что происходят в прямом процессе. Такое свойство квазистатических процессов называют обратимостью, а сами процессы при этом являются обратимыми.

Обратимый процесс в термодинамике

Рисунок 3. Обратимый процесс в термодинамике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 4

Обратимый процесс (равновесный) – представляет термодинамический процесс, способный к прохождению и в прямом, и в обратном направлении (за счет прохождения через одинаковые промежуточные состояния), система при этом возвращается в исходное состояние без энергетических затрат, а в окружающей среде не остается никаких макроскопических изменений.

Обратимый процесс возможно в абсолютно любой момент времени заставить протекать в обратном направлении, за счет изменения какой-либо независимой переменной на бесконечно малую величину. Обратимые процессы могут давать наибольшую работу. Большую работу от системы получить невозможно ни при каких условиях. Это придает теоретическую важность обратимым процессам, реализовать которые на практике также нереально.

Такие процессы протекают бесконечно медленно, и становится возможным лишь приблизиться к ним. Важно отметить существенное отличие термодинамической обратимости процесса от химической. Химическая обратимость будет характеризовать направление процесса, а термодинамическая – способ, при котором он будет проводиться.

Понятия обратимого процесса и равновесного состояния играют очень значимую роль в термодинамике. Так, каждый количественный вывод термодинамики будет применим исключительно в отношении равновесных состояний и обратимых процессов.

Необратимые процессы термодинамики

Необратимый процесс невозможен к проведению в противоположном направлении посредством все тех же самых промежуточных состояний. Все реальные процессы считаются в физике необратимыми. В качестве примеров таких процессов выступают следующие явления:

• диффузия;
• термодиффузия;
• теплопроводность;
• вязкое течение и др.

Переход кинетической энергии (для макроскопического движения) в теплоту через трение (во внутреннюю энергию системы) будет представлять собой необратимый процесс.

Все осуществляемые в природе физические процессы подразделяются на обратимые и необратимые. Пусть изолированная система вследствие некоего процесса осуществит переход из состояния А в состояние В и затем возвратится в свое изначальное состояние.

Процесс, в таком случае, станет обратимым в условиях вероятного осуществления обратного перехода из состояния В в А через аналогичные промежуточные состояния таким путем, чтобы при этом не оставалось совершенно никаких изменений в окружающих телах.

Если осуществление подобного перехода невозможно и при условии сохранения по окончании процесса в окружающих телах или внутри самой системы каких-либо изменений, то процесс окажется необратимым.

Любой процесс, сопровождающийся явлением трения, станет необратимым, поскольку, в условиях трения, часть работы всегда превратится в тепло, оно рассеется, в окружающих телах сохранится след процесса – (нагревание), что превратит процесс (с участием трения) в необратимый.

Пример 1

Идеальный механический процесс, выполняемый в консервативной системе (без сил трения), стал бы обратимым. Примером подобного процесса можно считать колебания на длинном подвесе тяжеловесного маятника. По причине незначительной степени сопротивления среды, амплитуда маятниковых колебаний становится практически неизменной на протяжении продолжительного времени, кинетическая энергия колеблющегося маятника при этом оказывается полностью переходящей в его потенциальную энергию и обратно.

В качестве важнейшей принципиальной особенности всех тепловых явлений (где участвует громаднейшее количество молекул), будет выступать их необратимый характер. Примером процесса такого характера можно считать расширение газа (в частности, идеального) в пустоту.

Итак, в природе наблюдается существование двух видов принципиально различных процессов:

• обратимых;
• необратимых.

Согласно заявлению М. Планка, сделанного однажды, различия между такими процессами, как необратимые и обратимые, будут лежать значительно глубже, чем, к примеру, между электрическими и механическими разновидностями процессов. По этой причине, его с большим основанием (сравнительно с любым другим признаком) имеет смысл выбирать как первейший принцип в рамках рассмотрения физических явлений.

Процесс необратимый — Справочник химика 21

    В отличие от сульфирования нитрование процесс необратимый. Получение тринитробензола весьма затруднительно из-за очень жестких условий нитрования и практически нереально. Зато нитрование толуола, тем более л[c.29]

    Взаимодействие спиртов с галогенангидридами и ангидридами кислот — процесс необратимый, например  [c.140]

    Необратимые процессы. Как было указано в 66, обратимые процессы протекают последовательно через ряд состояний равновесия. Самопроизвольное же течение процесса всегда связано с его необратимостью. Необратимыми в термодинамическом смысле называются такие процессы, после протекания которых систему уже нельзя вернуть в начальное состояние без того, чтобы не осталось каких-нибудь изменений в ней самой или в окружающей среде. Так, переход теплоты от более горячего тела к боле холодному является процессом необратимым, и нельзя провести его в обратном направлении, не затрачивая на это работы. 

[c.216]

    Приведенные рассуждения можно распространить на другие процессы выравнивания (обмен веществ, химические реакции). Уравнения тогда получаются, естественно, более сложными. Если система как целое не является изолированной от внешней среды, то могут идти диссипативные процессы (необратимое превращение работы в теплоту, например, за счет трения или электрического тока). Наконец, можно рассмотреть также непрерывные процессы, сводя фазы к элементам объема и считая различия соседних элементов объема бесконечно малыми. Оказывается, что уравнение (4.27) всегда выполняется для всех необратимых процессов. В дальнейшем ради простоты будем учитывать только рассмотренный выше случай. Однако существенные результаты имеют общий характер. Чтобы получить общее изменение энтропии системы, необходимо рассматривать теплообмен с окружающей средой. При этом должно быть учтено, что обе фазы, согласно предположению, имеют различные температуры. Поэтому общая теплота, подводимая извне, должна быть разложена на 

[c.26]

    Флокуляция — как правило, процесс необратимый здесь невозможно путем уменьшения содержания в растворе реагента, как в случае электролитной коагуляции (см. ниже), добиться пептизации (дезагрегации) осадка. Благодаря этим особенностям, а также высокой эффективности (часто добавка флокулянта в количестве меньше 0,01 % от массы твердой фазы вызывает существенное снижение устойчивости) и относительной дешевизне, флокулянты широко используют для ускорения седиментации, концентрирования и обезвоживания промышленных суспензий (например, при получении алюминия из бокситов, концентрировании медных, свинцовых, никелевых руд после флотации), очистки природных и сточных вод от дисперсных примесей, улучшения фильтрационных характеристик осадка, структуры почв и их механических свойств (при строительстве аэродромов, укреплении стен буровых скважин и др.). 

[c.378]

    Обратимые процессы Необратимые [c.72]

    Поскольку все реальные процессы необратимые, баланс для какого-либо элемента схемы записывается с учетом потерь эксергии, т. е. в виде [c.105]

    Коалесценция глобул воды в нефтяной эмульсии — процесс необратимый, поскольку дисперсная система является термодинамически неравновесной. [c.17]

    Различают необратимые и обратимые процессы. Необратимыми процессами называются такие процессы, после протекания которых систему и окружающую среду одновременно нельзя вернуть в прежнее состоя ние. При необратимом процессе систему можно вернуть к первоначальному состоянию, но нри этом в окружающей среде останутся некоторые изменения, следы необратимого процесса (например, изменится энергия тел окружающей среды). 

[c.107]

    Итак, самопроизвольные процессы необратимы и для них изменение энтропии определяется выражением [c.23]

    Обратимый процесс Необратимый самопроизвольный процесс Любой процесс [c.67]

    Каждый процесс, при котором происходит расширение нли сжатие газа, следует рассматривать как процесс перехода тепловой энергии в механическую и обратно. Последовательное сочетание нескольких процессов образует термодинамический цикл. Все действительно существующие в технике циклы и процессы необратимы, т. е. в конце цикла газ не возвращается в первоначаль-1юе состояние. [c.46]

    Интенсивность катализатора, от которой зависит эффективность работы контактного аппарата, связана с объемной скоростью реакционной смеси и содержанием в ней целевого продукта. При этом, для процессов необратимых, проводимых по открытой технологической схеме, учитывается содержание целевого продукта только на выходе из контактного аппарата. Для обратимых процессов, проводимых по циклической схеме, следует учитывать как содержание продукта на выходе из аппарата, так и на входе в него, то есть часть неотделенного целевого продукта, в смеси, вводимой вновь в процесс. [c.136]

    Для (III, 22) процесс необратимый самопроизвольный и реакция пойдет слева направо. Для (III, 23) реакция достигла равновесного состояния. Для (III, 24) процесс необратимый несамопроизвольный, т. е. реакция будет протекать в обратном направлении. Три рассмотренные реакции в смеси идеальных газов можно представить [c.134]

    Усовершенствования заключаются в уменьшении необратимости процесса. Необратимость действия редукционного вентиля можно снизить, применив двухступенчатый цикл (рис. 1П-54). [c.270]

    Реакция (IV. ) может быть обратимой. Строго говоря, обратимой является любая химическая реакция. Однако в большинстве случаев равновесие оказывается сильно смещенным в ту или иную (сторону, так что в состоянии равновесия концентрация либо исходных веществ, либо продуктов реакции ничтожно мала. В последнем случае можно считать, что реакция практически не идет. Если же равновесие сильно смещено в сторону образования продуктов реакции, то можно считать процесс необратимым (односторонним) и обратной реакцией пренебречь. [c.141]

    Процессы подразделяют также на необратимые и обратимые. Обратимые (квазистатические) процессы такие, которые при проведении их в обратном направлении повторяют все этапы прямого процесса. Необратимые же процессы при проведении их в обратном направлении не повторяют прямого процесса. Если процессы ни при каких условиях не могут стать обратимыми, то их принято называть внутренне необратимыми. При.мер — выделение тепла в результате трения. Если процесс в определенных условиях может стать обратимым, его принято называть условно необратимым, например, сжатие — расширение газа. [c.93]

    Неравновесный процесс, термодинамически необратимый процесс (необратимый фазовый переход, или неравновесный фазовый переход) — характеризуется переходом системы из одного состояния в другое с конечной скоростью, за счет соответствующего изменения на конечную величину параметров, воздействующих на систему. Неравновесный процесс приводит к необратимым изменениям в системе и окружающей ее среде. [c.317]

    Гидролиз сложных эфиров катализируют не только кислоты, но и щелочи (омыление). Щелочной гидролиз — процесс необратимый  [c.141]

    Если температура остается постоянной, то на основании (IV.115) приходим к равенству (IV.2), в соответствии с которым при изотермическом расширении газа (когда V2>Vi и In V2/Vi>0) его энтропия увеличивается. Отметим, что если это увеличение объема обусловлено расширением газа в пустоту или в другой газ, находящийся при том е давлении, то газ не совершает при этом никакой работы, а поэтому, как идеальный газ, он не охлаждается, т. е. не нужно подводить к нему теплоту для поддержания постоянной температуры. Однако энтропия газа увеличивается, поскольку рассматриваемые процессы расширения газа есть процессы необратимые, следовательно, должно выполняться неравенство dS>0. [c.119]

    Замерзание 1 моль переохлажденной воды при —10 °С — процесс необратимый, но перевод воды из переохлажденного жидкого состояния в твердое можно провести обратимо через следующие три стадии  [c.74]

    Наоборот, накладывание каждого груза вызывает резкое повышение давления и уменьшение объема как только объем газа станет равным его объему перед снятием груза, процесс прекратится. Поэтому возвращение системы в исходное состояние (сжатие) с помощью последовательного наложения тех же грузов изобразится восходящей ломаной линией. Очевидно, что и прямой, и обратный процессы необратимы. [c.20]

    Процессы нефтегазообразования характеризуются определенной периодичностью во времени и в пространстве отложения, содержащие значительные запасы нефти и газа, чередуются с комплексами пород, в которых очень мало скоплений УВ или они полностью отсутствуют. Как правило, в каждой нефтегазоносной провинции такие чередования (отложения со скоплением УВ и без них) повторяются неоднократно, что свидетельствует о цикличности процессов нефтегазообразования, т. е. о наличии в регионе нескольких циклов нефтегазообразования. Нами вслед за Н.А. Еременко и С.П. Максимовым было применено понятие — цикл нефтегазообразования, под которым понимается совокупность взаимосвязанных процессов образования нефти накопления материнского ОВ и осадках и его преобразование в нефтяные и газовые УВ, формирование залежей нефти и газа и их разрушение. Так же как и в геологических явлениях, цикл нефтегазообразования — процесс необратимый — от прошлого к будущему. Цикл нефтегазообразования, как и любой другой цикл, включает несколько стадий (возникновение, формирование, устойчивое бытие, переход в другое состояние) или, как мы назвали, этапов. С.П. Максимов, Н.А. Еременко, Т.А. Ботнева в цикле нефтегазообразования выделяют четыре этапа  [c.103]

    Таким образом, р а вен ств а (IV, 5) — (IV, 9), являющиеся аналитическим выражением второго начала для различных обратимых процессов, при переходе к процессам необратимым обращаются в н е р а в е н с т в а (IV, 10) — (IV, 14). [c.86]

    Теперь ясно, почему функция 5 была введена нами именно для обратимых процессов и лишь после этого распространена на процессы необратимые. [c.88]

    Решение. Так как пар переохлажден, его конденсация будет процессом необратимым, поэтому, чтобы найти AS, конденсацию мысленно проводим обратимо, Для этого равновесно изотермически расширяем водяной пар от атмосферного давления (Р ) до давления насыщенного пара при t = 25 (Р2) и затем конденсируем его  [c.132]

    Не изолированные системы Обратимые процессы Необратимые процессы [c.94]

    Более сильные токи вызывают необратимые явления на гра нице металл — раствор (поляризация электродов) и, таким образом, делают весь процесс необратимым. [c.481]

    При постоянных температуре и давлении получаем обратимый процесс необратимый процесс ДС = 0, Ai [c.199]

    Сопоставляя данное уравнение с (2.10) и (2.11), получаем обратимый процесс необратимый процесс [c.90]

    Наоборот, окисление метилового оранжевого и метилового красного является процессом необратимым. С необратимостью процесса приходится считаться и при работе с этими индикаторами, так как окраска может исчезнуть (особенно при быстром введении КВгОз) до достижения точки зквивалентности. Поэтому [c.412]

    Расчеты по уравнению (VIII, 311) дают достаточно точные результаты только при перенапряжении меньше 3 мв. Если перенапряжение велико, то второй член (скорость обратного процесса) в уравнениях (VIII, 305) и (VIII, 306) становится меньше первого и им можно пренебречь. При этом электрохимическая реакция — односторонняя и электродный процесс — необратимый. Выражение для скорости этого электродного процесса можно записать в виде [c.388]

    В силикатах имеет важное значение и другой вид превращений, при котором происходит переход от неустойчивой (метастабильной) модификации в устойчивую он совершается только в одном направлении. Такие процессы необратимы и называются монотроп-ными. Протекающий при этом процесс соответствует процессу кристаллизации в переохлажденном расплаве. Однако монотроп-ная неустойчивая модификация а часто удерживается при нормальных температурах в течение неопределенно длительного времени. Для превращения этой модификации в устойчивую а-кристаллическую форму необходимо, чтобы в каком-то месте структуры, где возможен эффективный обмен местами, была достигнута критическая температура, выше которой неустойчивая кристаллическая модификация начала бы превращаться в устойчивую кристаллическую форму. С повышением температуры скорость превращения постепенно увеличивается. Монотропный переход а — а никогда не происходит самопроизвольно. [c.114]

    К конденсационным смолам относят полимеры, получаемые в результате поликонденсации. Значительное число конденсационных смол (феноло-альдегидные, мочевино-альдегидные, глифтале-вые и др.) — термореактиБные полимеры (стр. 443). Характерная особенность полимеров этого типа — переход под влиянием температурных воздействий в присутствии катализаторов в неплавкое и нерастворимое состояние. В результате термической обработки имеют место химические процессы между макромолекулами, приводящие к образованию сетчатых структур за счет прочных химических связей при этом происходит процесс необратимого отверждения. [c.475]

---

Физическая и коллоидная химия (1988) — [ c.54 , c.82 , c.83 , c.93 ]

Краткий курс физической химии (1979) — [ c.19 , c.292 ]

Практические работы по физической химии (1961) — [ c.29 ]

Теоретические основы электрохимического анализа (1974) — [ c.65 ]

Физико-химическая кристаллография (1972) — [ c.87 ]

Основы физической и коллоидной химии Издание 3 (1964) — [ c.56 ]

Правило фаз Издание 2 (1964) — [ c.20 ]

Основы химической термодинамики и кинетики химических реакций (1981) — [ c.16 ]

Правило фаз Издание 2 (1964) — [ c.20 ]

Курс химической термодинамики (1975) — [ c.52 ]

Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников (1968) — [ c.181 , c.182 ]

Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников Издание 2 (1973) — [ c.233 ]

Курс физической химии Издание 3 (1975) — [ c.241 , c.283 ]

Общая химия (1968) — [ c.189 ]

Общая химия Биофизическая химия изд 4 (2003) — [ c.23 ]

Термодинамика (0) — [ c.16 , c.72 ]

Термодинамика реальных процессов (1991) — [ c.295 ]

---

3.2. Обратимые и необратимые процессы

Глава 3 . ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Важно отчетливо представлять себе, что состояние равновесия в системе может быть достигнуто посредством осуществления в этой системе как обратимых, так и необратимых процессов.

На основе сказанного выше нетрудно прийти к выводу о том, что работа может производиться системой только до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия. В самом деле, ранее было отмечено, что в любом тепловом двигателе работа может быть получена только тогда, когда имеются минимум два источника теплоты — горячий и холодный. Если же температуры горячего и холодного источников сравняются, т.е. система, включающая в себя горячий источник, рабочее тело и холодный источник, придет в тепловое равновесие, то перенос рабочим телом теплоты от горячего источника к холодному (как будет показано в дальнейшем, этот перенос теплоты может осуществляться

иобратимо, и необратимо) прекратится и работа производиться не будет.

Впроцессе перетекания воды из одного резервуара в другой (с более низким уровнем воды) может быть произведена работа, если заставить поток воды вращать колесо гидротурбины. Понятно, что работа будет совершаться рассматриваемой системой до тех пор, пока уровни воды в обоих резервуарах не сравняются.

Расширяющийся газ, перемещающий поршень в цилиндре, будет производить работу против сил внешнего давления, действующих на поршень извне, до тех пор, пока давление газа над поршнем не станет равным внешнему давлению. После этого в системе цилиндр с газом — внешняя среда установится равновесие1), поршень остановится и работа производиться не будет.

Электромотор, получающий питание от аккумулятора, будет производить работу до тех пор, пока аккумулятор не разрядится, т.е. пока потенциалы на зажимах аккумулятора не сравняются и, следовательно, разность потенциалов не станет равной нулю.

Когда мы говорим о работе, то имеем в виду работу, совершаемую против любых внешних сил, в том числе, разумеется, и против сил трения. Работа на преодоление сил трения, конечно, тоже совершается только до тех пор, пока система не придет в состояние равновесия. Так, в рассмотренном выше примере с шариком, движущимся по наклонным плоскостям, энергия шарика будет расходоваться на преодоление сил трения до тех пор, пока шарик не остановится в точке 3.

Из рассмотренных нами примеров видно, что отсутствие равновесия в системе характеризуется наличием в этой системе разности некоторых характерных величии; это может быть либо разность температур в различных частях системы, либо разность давлений, либо разность высот (и, следовательно, разность потенциальных энергий) различных частей этой системы, либо разность электрических потенциалов и т.д. Все эти, казалось бы, столь разные понятия могут быть объединены одним общим понятием, которое было введено ранее в § 2.3 — понятием обобщенной силы.

Чрезвычайно важно подчеркнуть следующее. Как уже отмечалось выше, степень необратимости того или иного необратимого процесса может быть различной. В принципе, можно представить себе степень необратимости настолько малой, что процесс будет осуществляться практически обратимо (т.е. неизбежная в любом реальном процессе необратимость будет неуловимо малой). В этой связи полезно использовать понятие о равновесных (квазистатических) и неравновесных процессах, введенное в гл. 1.

В § 1.3 было показано, что любой неравновесный процесс становится равновесным, если скорость осуществления этого процесса стремится к нулю. В то же время любой неравновесный процесс является необратимым и, наоборот, всякий равновесный процесс является процессом обратимым. Иными словами, при-

1) Условимся называть механическим равновесием равенство давлений тел, термическим (или тепловым) равновесием — равенство температур тел.

Обратимые и необратимые процессы. Теорема Карно

 

Процесс называется обратимым, если он может быть проведен в обратном направлении через те же промежуточные состояния, что и прямой процесс, причем во всех остальных телах никаких изменений произойти не должно. Если же это сделать невозможно, то процесс называется необратимым.

Обратимые процессы являются идеализацией реальных процессов. Все реальные процессы в той или иной степени являются необратимыми. Степень необратимости определяется значительностью или незначительностью изменений, которые должны произойти в окружающих систему телах, чтобы провести обратный процесс. Процесс можно считать обратимым, если есть принципиальная возможность изменить его направление на обратное путем бесконечно малого изменения внешних условий, в которых находится система.

Обратимый процесс обязательно должен быть квазистатическим. Напомним, что квазистатический – это бесконечно медленный процесс, последовательность состояний, бесконечно мало отличающихся от равновесных.

Укажем некоторые признаки принципиально необратимых процессов.

Необратимы процессы, протекающие с конечными скоростями, т.к. если скорость процесса имеет определенное, отличное от нуля значение, она должна входить в число внутренних параметров системы. Тогда состояния системы в прямом и обратном процессах не могут быть тождественными – они всегда будут отличаться знаками скоростей. Это различие исчезнет только в пределе, когда процесс идет квазистатически – бесконечно медленно.

Процессы, в которых существенную роль играют силы трения, также необратимы из-за неизбежного при этом перехода механической энергии во внутреннюю. Обратный процесс запрещен постулатом Томсона.

Необратимость процесса теплообмена при конечной разности температур тоже обусловлена вторым началом термодинамики (формулировка Клаузиуса).

Рассмотренный в § 8 цикл Карно является обратимым циклом, т.к. он не включает в себя принципиально необратимых процессов. Обратимость этого цикла будет существенно использована в доказательстве первой теоремы Карно:

КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя Т₁ и холодильника Т₂, но не зависит от вида рабочего тела и конкретного устройства машины.

Для доказательства рассмотрим две машины Карно, имеющие общий нагреватель с температурой Т₁ и общий холодильник с температурой Т₂. Обозначим КПД одной машины (машины а) h_а, а второй (машины в) — h_в. Допустим, что h_а > h_в, и покажем, что это допущение приводит к противоречию со вторым началом термодинамики. Заставим машину а проходить цикл в прямом направлении. В процессе работы она забирает у нагревателя количество тепла Q_1а, передает холодильнику тепло Q_2а и совершает работу А_а = h_а×Q_1a =Q_1a – Q_2a, за счет которой можно поднять какой-либо груз на некоторую высоту. Остановим после этого машину а и используем потенциальную энергию поднятого груза, чтобы привести в действие машину в по обратному циклу (как холодильную машину). Проходя цикл Карно в обратном направлении, машина в будет забирать тепло у холодильника и отдавать тепло нагревателю. На рис. 10.1 схематически изображена работа машин а и в.

Если для работы машины в по обратному циклу использовать всю энергию (А_а= А_в), накопленную в результате работы машины а, то количество тепла, переданное ею нагревателю Q_1в=А_в /h_в будет больше (из-за допущения, что h_а > h_в) количества тепла Q_1a = A_a /h_a, отобранного у нагревателя машиной а. В результате такой последовательной работы машин а и в, нагреватель получит положительное количество тепла Q = Q_1в – Q_1a. Такое же количество тепла Q = Q_2в – Q_2a, будет отобрано у холодильника. При этом никаких изменений в окружающих систему телах не произойдет. Таким образом, единственным результатом будет передача тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому, что запрещено постулатом Клаузиуса. Поэтому предположение о том, что h_а > h_в неверно.

Точно так же неверно предположение h_в > h_а. Чтобы убедиться в этом, надо заставить машину в проходить цикл Карно в прямом направлении, а машину а — в обратном. При этом направления стрелок на рис. 10.1 изменятся на противоположные. Повторяя предыдущие рассуждения, вновь придем к противоречию. Следовательно, h_а = h_в, и теорема Карно доказана.

Следует отметить, что если только одна из машин, рассматриваемых при доказательстве теоремы, является обратимой, то доказательство проходит лишь «наполовину». Если обратимый цикл Карно реализуется машиной в, то можно доказать ложность предположения h_а > h_в. Поменять машины местами теперь нельзя. Только обратимая машина в обратном цикле делает все так же, как в прямом, но с противоположным знаком. В таком случае можно сформулировать следующее положение, называемое второй теоремой Карно:

КПД любой машины, совершающей цикл между двумя тепловыми резервуарами, не может превосходить КПД машины, работающей по циклу Карно с теми же температурами нагревателя и холодильника.

Таким образом, цикл Карно имеет максимально возможный КПД при заданных температурах нагревателя и холодильника.

 

 

Узнать еще:

Обратимые и необратимые процессы — справочник студента

Приглашаем посетить сайт

ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ — пути изменения состояния термодинамич. системы. Процесс наз. обратимым, если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежут. состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке.

При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой.

Обратимый процесс — идеализир. случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамич. параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса.

Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы наз. необратимым.

Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы диффузия, теплопроводность, вязкое течение и др. Для хим. р-ции применяют понятия термодинамич. и кинетич. обратимости, к-рые совпадают только в непосредств. близости к состоянию равновесия. Р-ция А + В С + D наз. кинетически обратимой или двусторонней, если в данных условиях продукты С и D могут реагировать друг с другом с образованием исходных в-в А и В. При этом скорости прямой и обратной р-ций, соотв. , где и -константы скорости, [А], [В], [С], [D]- текущие концентрации (активности), с течением времени становятся равными и наступает химическое равновесие, в к-ром -константа равновесия., зависящая от т-ры. Кинетически необратимыми (односторонними) являются обычно такие р-ции, в ходе к-рых хотя бы один из продуктов удаляется из зоны р-ции (выпадает в осадок, улетучивается или выделяется в виде малодиссоциированного соед.), а также р-ции, сопровождающиеся выделением большого кол-ва тепла.

На практике нередко встречаются системы, находящиеся в частичном равновесии, т. е. в равновесии по отношению к определенного рода процессам, тогда как в целом система неравновесна. Напр., образец закаленной стали обладает пространств.

неоднородностью и является системой, неравновесной по отношению к диффузионным процессам, однако в этом образце могут происходить равновесные циклы мех. деформации, поскольку времена релаксации диффузии и деформации в твердых телах отличаются на десятки порядков.

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Следовательно, процессы с относительно большим временем релаксации являются кинетически заторможенными и могут не приниматься во внимание при термодинамич. анализе более быстрых процессов.

Необратимые процессы сопровождаются диссипатив-ными эффектами, сущностью к-рых является производство (генерирование) энтропии в системе в результате протекания рассматриваемого процесса. Простейшее выражение закона диссипации имеет вид:

где средняя т-ра, производство энтропии, — т. наз. нескомпенсированная теплота Клаузиуса (теплота диссипации).

Источник: http://es.niv.ru/doc/encyclopedia/chemistry/articles/1898/obratimye-i-neobratimye-processy.htm

ПОИСК

необратимые процессы с уменьшением энтропии. [c.230]

    Уравнения первого и второго начал термодинамики, пригодные для обратимых и необратимых процессов, можно записать так  [c.73]

    Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Понятие обратимости и необратимости процесса [c.91]

    Те положения, которые мы постулировали при введении понятия энтропии, рассмотрим как следствия, вытекаюш ие из фундаментального неравенства Клаузиуса.

Как уже известно, энтропия — критерий обратимости и необратимости процессов.

Исходя из ее основного свойства как функции состояния, определяют изменение энтропии для обратимого и необратимого процессов одним и тем же способом. [c.109]

    ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ [c.21]

    Обратимые и необратимые процессы………. [c.459]

    В химической термодинамике большое значение имеют понятия равновесный и неравновесный, обратимый и необратимый процессы. Чтобы раскрыть сущность этих понятий, следует рассмотреть, напри- [c.15]

    Вопрос об обратимости и необратимости процессов связан со вторым началом термодинамики, которое будет рассмотрено ниже (см. гл. IV). [c.23]

    После рассмотрения рис. 3 вывод уравнения (11,3) становится более наглядным. Однако напомним, что график соответствует обратимому процессу, а уравнение (11,3), так же, как и (11,2), охватывает и обратимые и необратимые процессы. [c.32]

    Означает ли это, что второе начало является следствием первого Разумеется, нет, потому что приведенный ход доказательств требует введения понятия об обратимости и необратимости процессов.

Доказательство же роста энтропии при необратимых процессах в изолированной системе, а это и составляет содержание второго начала, может быть дано только с помощью рассуждений, не вытекающих из первого начала.

 [c.89]

    Основные уравнения термодинамики, пригодные для обратимых и необратимых процессов, можно в сжатой форме записать следующим образом  [c.94]

    Для необратимого изобарно-изотермического процесса уравнение (VII.21) принимает форму неравенства —AG> А. Это значит, что полезная работа в необратимом процессе меньше убыли изобарного потенциала.

Заметим, что хотя при переходе системы из состояния 1 в состояние 2 изменение изобарного потенциала в обратимом и необратимом процессах одинаково, но только в обратимом процессе работа максимальна в необратимом процессе работа меньше. [c.108]

    Изменение энтропии А5 или 8 для обратимого и необратимого процессов при совпадающих исходном и конечном состояниях в обоих случаях одинаково. Но, как следует из уравнений (15) [c.100]

    В общем случае (для обратимого и необратимого процесса)  [c.33]

    В учебнике разбираются вопросы, связанные с агрегатным состоянием веществ, изложены некоторые вопросы термодинамики, рассмотрены обратимые и необратимые процессы, а также явления адсорбции и катализа. [c.2]

    Переход из состояния 1 в состояние 2 можно осуществить с помощью обратимого и необратимого процессов. Поскольку нужно рассчитать изменение энтропии Аб 8 — 8 , интерес представит обратимый изотермический процесс, согласно которому [c.191]

    Понятие обратимости и необратимости химических реакций не тождественно с понятием термодинамической обратимости и необратимости процессов. Обратимость химических реакций означает только то, что реакция в определенных условиях протекает в одном, а в других условиях—в обратном направлении. [c.31]

    Термодинамический анализ наиболее рационально проводить, используя следствия понятий обратимости и необратимости процессов максимально возможной работы (эксергии) и потерь воз- [c.185]

    Равновесно или неравновесно протекающие процессы называют еще обратимыми и необратимыми. Процессы могут проходить быстро или бесконенчо медленно. Процессы, которые протекают с конечной скоростью, называют термодинамически необратимыми.

Обратимые процессы в природе и технике никогда не протекают, но можно создать условия, которые приблизят процесс к равновесному их протеканию. В качестве примера можно рассмотреть условия сжатия и расширения газа в цилиндре с поршнем, движущимся без трения.

Особенности протекания процессов сжатия и расширения газа можно рассмотреть с помощью графика, приведенного на рис. 18. [c.84]

    Тема 2 Закономерность протекания химических реакций (4 час). Лекция 9. Скорость химических реакций. Классификация реакций. Молеку-лярность и порядок реакции.

Зависимость скорости реакции от температуры энергия активации. Понятие о гомогенном и гетерогенном катализе. Примеры каталитических процессов, в нефтеперерабатывающей промышленност Лекция 10.

Обратимые и необратимые процессы. Химическое равновесие [c.179]

    Для измерения величины водоотдачи при высоких температурах предложен ряд устройств и установок УИВ-1, фильтр-пресс конструкции В. С. Баранова, установка Волгоградского НИПИ-нефть и др. Эти установки применяются в отдельных научно-исследовательских лабораториях и не нашли широкого применения даже при проведении научных исследований.

Чаще для этих целей применяют автоклавный метод с измерением показателей при комнатной температуре до и после прогрева в течение нескольких часов (2, 3, 4, 6 и более). Изменение величины водоотдачи буровых растворов до и после их прогрева и охлаждения указывает лишь на наличие необратимых процессов в системе, таких, как деструкция, гидролиз, окисление реагентов и др.

Обратимые процессы, которые, очевидно, имеют место в буровом растворе с изменением температуры, такие, как пептизация и коагуляция, адсорбция и десорбция, автоклавным методом не фиксируются.

Разделение обратимых и необратимых процессов в такой сложной дисперсной системе, какой является буровой раствор,-и тем более определение количественных характеристик каждого из этих процессов представляют весьма сложную задачу в основном академического характера. [c.174]

    Решение. Процесс явно необратим, поэтому AS>Q T. Изменение энтропии А5 можно подсчитать только для обратимого процесса. Однако энтропия — функция состояния, не зависящая от пути процесса, а зависящая лишь от исходного и конечного состояний.

Если обратимый и необратимый процессы провести при одних и тех же начальных и конечных состояниях системы, то Д5ояр = Д8 еобр. Всякий необратимый процесс можно провести мысленно в несколько стадий в тех же граничных условиях и вычислить энтропию для каждой обратимой стадии.

Тогда сумма изменений энтропии этих стадий будет равна сумме изменений энтропии необратимого процесса. Поэтому мысленно проведем наш процесс обратимо в три стадии [c.101]

    Чтобы уяснить понятия обратимости и необратимости процессов, можно исходить также из представлений о равновесности или квазистатичности. Рассмотрим принцип максимальной работы. [c.92]

    Для понимания второго начала термодинамики очень большое значение имеет правильное представление об обратимых и необратимых процессах. Представим себе замкнутую материальную систему, т. е. такую, которая сохраняет постоянное количество вещества, но может взаимодействовать с внешней средой или посредством процессов теплопередачи, или совершая работу.

Такую систему можно назвать изолированной в материальном отношении или закрытой. Какие бы процессы в такой системе ни протекали, мы всегда можем вернуть ее в исходное состояние, воздействуя на нее извне.

Например, если в системе происходит (при 7 = onst) смешение газообразного водорода с углекислым газом, то образовавшуюся смесь можно разделить на исходные вещества путем глубокого охлаждения, а потом нагреть отделенные друг от друга водород и углекислый газ до начальной температуры.

Таким образом, в системе все вернется в исходное состояние, и в этом смысле можно было бы считать все процессы, протекавшие в системе, обратимыми. Однако в этом суммарном процессе, кроме системы, принимали участие и тела, находящиеся во внешней среде, которые также меняли свое состояние. [c.22]

    Дайте определение обратимого и необратимого процессов. Почему в термодинамике используют термин квазипроцессы Обсудите сходство и различие понятий равновесное состояние системы и стационарное состояние системы . [c.295]

    Развиваемый здесь метод объединяет различные точки зрения уравнения баланса (как в линейной неравновесной термодинамике), классическую термодинамическую теорию устог1чивости, теорию устойчивости Ляпунова и обобщение флуктуационной формулы Эйнштейна.

Это необходимо для единого описания макроскопической физики, включая и обратимые, и необратимые процессы, протекающие как вблизи, так и вдали от равновесия. Следует отметить, что еще Льюис [111] предложил объединить теорию флуктуаций и термодинамику.

Однако он имел дело только с равновесными явлениями, где влияние флуктуаций пренебрежимо мало (за исключением критических явлений). [c.12]

Источник: https://www.chem21.info/info/511441/

Обратимые и необратимые процессы — Курс лекций по физике

Новой качественной особенностью систем большого числа частиц по сравнению с чисто механическими системами является необратимый характер термодинамических процессов.

Если рассматривать движение тела как механический процесс, в результате которого происходит изменение его координат и скоростей, то очевидно, что в механике без учета сил трения все процессы обратимы.

Обратимость механического процесса означает, что если изменить направление процесса на обратное, то тело, обладающее определенными значениями координат и скорости в конечном состояний, будет проходить последовательность тех же состояний, которую оно проходило при первоначальном направлении процесса, но в обратном порядке и в конце процесса окажется опять в состоянии с начальными значениями координат и скорости. Таково, например, упругое столкновение шаров, которое может происходить как в прямом, так и в обратном направлениях. Этот факт — прямое следствие второго закона Ньютона, сохраняющего постоянной полную механическую энергию системы. Запишем его в форме

                                                     .

Второй закон Ньютона представляет собой уравнения движения тела.

Решив эти уравнения относительно координат и импульса как функций времени, можно определить с достоверностью их значения в любой последующий момент времени, если известны значения этих величин в начальный момент: r(0) и p(0).

С такой же достоверностью можно, пользуясь уравнениями Ньютона, проследить за движением тела в обратном направлении. Если заменить в законе Ньютона t на — t и p на — p , то уравнения движения не изменятся.

Это означает, что если известны координаты и скорости тела в конечном состоянии, можно определить их значения в любой заданный момент в прошлом. Таким образом, задание начальных или конечных условий полностью определяет поведение механической системы в будущем или в прошлом.

Иная ситуация возникает в системах, состоящих из большого числа частиц. Каждая частица в отдельности, конечно, по-прежнему подчиняется уравнениям движения в форме второго закона Ньютона. Отличие состоит в том, что в системе большого числа частиц каждая отдельная частица испытывает большое число последовательных столкновений с другими частицами.

Поскольку столкновения имеют случайный характер и изменяют координаты и скорости данной частицы непредсказуемым образом, то информацию о состоянии данной частицы по прошествии некоторого времени в системе большого числа частиц можно теперь определить не с достоверностью, как в механике, а только с некоторой вероятностью.

Поскольку всякий термодинамический процесс включает в себя множество независимых случайных событий, то для того, чтобы он мог происходить в обратном направлении, необходимо, чтобы реализовалась вся эта случайная последовательность событий в обратном порядке.

Поскольку вероятность нескольких независимых событий есть произведение вероятностей каждого из событий, то суммарная вероятность обратного процесса оказывается ничтожно малой, практически равной нулю.

В качестве примера такого процесса укажем на процесс передачи тепла от более нагретого тела менее нагретому —обратный процесс, как известно, сам но себе никогда не реализуется на практике. Таким образом, физическая причина необратимости термодинамических процессов заключается в случайном характере столкновений частиц, который создает неопределенность в начальных условиях к уравнениям движения частиц.

Реальный термодинамический процесс всегда необратим. Тем не менее в термодинамике говорят об обратимом процессе как о некоторой идеализированной схеме процесса. Рассмотрим некоторый равновесный процесс, совершаемый системой под влиянием внешнего воздействия так, что система последовательно проходит через ряд равновесных состояний из начального в конечное.

Если ту же последовательность состояний можно реализовать в обратном порядке и при этом не изменить состояния окружающих тел, то процесс будет обратимым.

При этом каждая из частиц системы вовсе не вернется в свое исходное состояние, важно только, что средние, равновесные характеристики системы примут свои начальные значения, а это происходит при обратимом процессе благодаря неразличимости или тождественности частиц системы.

Источник: https://students-library.com/library/read/94244-obratimye-i-neobratimye-processy

Обратимые и необратимые процессы

Пусть в результате некоторого процесса в изолированной системе тело переходит из состояния А в состояние В и затем возвращается в начальное состояние А.

Процесс называется обратимым, если возможно осуществить обратный переход из В в А через те же промежуточные состояния, что и в прямом процессе, чтобы не осталось никаких изменений и в самом теле и в окружающих телах.

Если же обратный процесс невозможен, или по окончании процесса в окружающих телах и в самом теле остались какие-либо изменения, то процесс является необратимым.

Примеры необратимых процессов. Любой процесс сопровождаемый трением является необратимым (теплота, выделяющаяся при трении не может без затраты работы другого тела собраться и вновь превратиться в работу).

Все процессы, сопровождаемые теплопередачей от нагретого тела к менее нагретому, является необратимыми (например, теплопроводность). К необратимым процессам также относятся диффузия, вязкое течение.

Все необратимые процессы являются неравновесными.

Равновесные – это такие процессы, которые представляют из себя последовательность равновесных состояний. Равновесное состояние – это такое состояние, в котором без внешних воздействий тело может находиться сколь угодно долго.

(Строго говоря, равновесный процесс может быть только бесконечно медленным. Любые реальные процессы в природе протекают с конечной скоростью и сопровождаются рассеянием энергии.

Обратимые процессы – идеализация, когда необратимыми процессами можно пренебречь).

Круговой процесс (цикл). Если тело из состояния А в состояние В переходит через одни промежуточные состояния, а возвращается в начальное состояние А через другие промежуточные состояния, то совершается круговой процесс, или цикл.

Круговой процесс является обратимым, если все его части обратимы. Если какая-либо часть цикла необратима, то и весь процесс необратим.

	Различают прямой цикл, или цикл тепловой машины и обратный цикл, или цикл холодильной машины (о нём в вопросе № 3). Совершенная за цикл работа равна разности между количеством теплоты, полученной телом при расширении и количество теплоты, отданным при сжатии. Работа в координатах равна площади цикла (рис. 15.1): .
Рис. 15.1

2. Цикл Карно и его КПД для идеального газа

(Сади Карно (1796 – 1832) – французский физик).

Рис. 15.2

Цикл Карно заключается в следующем. Сначала система, имея температуру , приводится в тепловой контакт с нагревателем. Затем, бесконечно медленно уменьшая внешнее давление, её заставляют расширяться по изотерме 1-2. При этом она получает тепло от нагревателя и производит работу против внешнего давления.

Рабочий цикл состоит из двух равновесных изотерм и двух равновесных адиабат (рис. 15.2). В машине, как допускают, отсутствуют потери на трение, теплопроводность и т.д. С машиной связаны два резервуара теплоты. Один, имеющий температуру , называется нагревателем, другой имеющий более низкую температуру – холодильником (или теплоприёмником). Резервуары настолько велики, что отдача или получение теплоты не изменяет их температуру.

После этого систему адиабатически изолируют и заставляют расширяться по адиабате 2 – 3, пока её температура не достигает температуры холодильника . При адиабатическом расширении система также совершает некоторую работу против внешнего давления. В состоянии 3 систему приводят в тепловой контакт с холодильником и непрерывным увеличением давления изотермически сжимают её до некоторого состояния 4. При этом над системой производится работа (т.е. сама система совершает отрицательную работу ), и она отдаёт холодильнику некоторое количество тепла . Состояние 4 выбирается так, чтобы можно было сжатием по адиабате 4 – 1 вернуть систему в исходное состояние. Для этого над системой надо совершить работу (система должна произвести отрицательную работу ). В результате кругового процесса Карно внутренняя энергия системы не изменяется, поэтому произведённая работа

.

Рассчитаем коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно. Эта величина равна отношению количества теплоты, превращённого в работу, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

• Полезная работа за цикл равна сумме всех работ отдельных частей цикла:
• .
• Работа изотермического расширения:
• ,
• адиабатического расширения:
• ,
• изотермического сжатия:
• ,
• адиабатического сжатия:
• .

Адиабатические участки цикла не влияют на общий результат, т.к. работы на них равны и противоположны по знаку, следовательно .

1. . (1)
2. Так как состояния газа, описываемые точками 2 и 3 лежат на одной адиабате, то параметры газа связаны уравнением Пуассона:
3. .
4. Аналогично для точек 4 и 1:
5. Разделив почленно эти уравнения, получим:
6. , тогда из (1) получается

• То есть КПД цикла Карно определяется только температурами нагревателя и холодильника.
• Теорема Карно (без доказательства): КПД всех обратимых машин, работающих при одних и тех же температурах нагревателя и холодильника одинаков и определяется только температурами нагревателя и холодильника.
• Замечание: КПД реальной тепловой машины всегда ниже, чем КПД идеальной тепловой машины (в реальной машине существуют потери тепла, которые не учитываются при рассмотрении идеальной машины).
• 3. Принцип действия теплового двигателя и холодильной машины
• Любой тепловой двигатель состоит из 3-х основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника.

Рабочее тело получает некоторое количество теплоты , от нагревателя. При сжатии газ передаёт некоторое количество теплоты холодильнику. Полученная работа, совершаемая двигателем за цикл:

(неравенство – характеризует реальные машины, равенство для идеальных машин).

(Замечание: реальные тепловые двигатели обычно работают по так называемому разомкнутому циклу, когда газ после расширения выбрасывается, и сжимается новая порция. Однако это существенно не влияет на термодинамику процесса. В замкнутом цикле расширяется и сжимается одна и та же порция.).

Холодильная машина. Цикл Карно обратим, следовательно, его можно провести в обратном направлении. (4-3-2-1-4 (рис.15.3)) От холодильной камеры поглощается тепло .

Нагревателю рабочее тело передаёт некоторое количество теплоты . Внешние силы совершают работу , тогда В результате цикла некоторое количество теплоты переходит от холодного тела к телу с более высокой температурой. Реально рабочим телом в холодильной установке обычно служат пары легкокипящих жидкостей – аммиак, фреон и т. п. К машине подводится энергия от

Рис. 15.3

электрической сети. За счёт этой энергии и совершается процесс “передачи теплоты” от холодильной камеры к более нагретым телам (к окружающей среде).

Эффективность холодильной установки оценивается по холодильному коэффициенту:

Тепловой насос. Это непрерывно действующая машина, которая за счёт затрат работы (электроэнергии) отбирает тепло от источника с низкой температурой (чаще всего близкой к температуре окружающей среды) и передаёт источнику тепла с более высокой температурой количество теплоты , равна сумме тепла, отобранного от низкотемпературного источника и затраченной работы: .

“Отопительный” коэффициент

всегда больше единицы (максимально возможный ).

Для сравнения: если отапливать помещение с помощью обычных электронагревателей, то количество теплоты, выделенное в нагревательных элементах, в точности равно расходу электроэнергии.

4. Энтропия. Закон возрастания энтропии

В термодинамике понятие “энтропия” было введено немецким физиком Р. Клаузиусом (1865 г.).

Из статической физики: отношение количества теплоты , сообщаемого системе, к температуре (системы) есть приращение некоторой функции состояния (энтропий).

полный дифференциал функции состояния , названной энтропией. (греч. поворот, превращение)

Каждое состояние тела характеризуется определённым значением энтропии . Если обозначить энтропию в состояниях 1 и 2 как и , то по определению для обратимых процессов:

Значение произвольной постоянной, с которой определена энтропия, не играет роли. Физический смысл имеет не сама энтропия, а разность энтропий.

Закон возрастания энтропии.

Допустим, что изолированная система переходит из равновесного

состояния 1 в равновесное состояние 2, но процесс перехода 1 – 2 является необратимым – на рисунке 15.4 обозначен пунктиром. Обратный переход обратимый. Воспользуемся неравенством Клаузиуса (без вывода).

Рис. 15.4

1. (для обратного процесса знак “=” , для необратимого “

Источник: https://megaobuchalka.ru/5/14947.html

Обратимые и необратимые процессы в термодинамической системе — Физика

• Солнечная постоянная, равная полному количеству солнечной энергии, проходящей за 1 с через перпендикулярную к его лучам площадку с площадью 1м2, находящуюся на среднем расстоянии Земли от Солнца 1,49*1011м вне земной атмосферы,
• QC=1360 Вт/м2 .
• Следовательно, полная мощность, получаемая Землей от Солнца без учета отражения излучения земной атмосферой
• Вт ,
• где R3=6,37*106м – средний радиус Земли.

В настоящее время полная мощность, вырабатываемая всем человечеством, составляет около 0,01% от солнечной мощности, достигающей поверхности Земли. Оценки показывают, что для сохранения стабильности тепловых процессов на Земле доля мощности, вырабатываемой человечеством, не должна превышать 0,1%. Это абсолютное ограничение сверху на развитие всей энергетики независимо от источников энергии и принципов её преобразования.

Лекция №4

Второе начало термодинамики

1. Обратимые и необратимые процессы в термодинамической системе.

2. Равенство Клаузиуса для обратимых круговых процессов. Энтропия.

3. Неравенство Клаузиуса для необратимых круговых процессов.

4. Установление равновесия в замкнутой теплоизолированной термодинамической системе. Закон возрастания энтропии.

5. Второе начало термодинамики.

6. Энтропия равновесных систем вблизи абсолютного нуля. Теорема Нернста.

7. Третье начало термодинамики.

8. Ограничения на применение второго начала термодинамики.

В зависимости от условий переход термодинамической системы из равновесного состояния 1 в другое равновесное состояние 2 может быть либо обратимым, либо необратимым. При обратимом переходе все процессы в системе происходят квазистатически, т.е.

очень медленно, а все промежуточные состояния, через которые проходит система, являются равновесными. Если параметры, управляющие обратимым переходом, изменять в обратном порядке, то система вернется из конечного состояния 2 в свое начальное состояние 1, снова пройдя через все прежние промежуточные состояния, но в обратном порядке.

Причем во внешней среде не произойдет никаких изменений и она также вернется в исходное состояние.

Строго говоря, обратимые процессы есть идеализация, к которой можно подойти сколь угодно близко, если нарушения механического и теплового равновесия бесконечно малы и отсутствуют диссипативные процессы с участием сил трения. Опыт показывает, что все реальные макроскопические процессы в то или иной степени необратимы.

Примером необратимого процесса может служить расширение газа в пустоту через отверстие в стенке сосуда. Чтобы собрать вышедший газ в сосуд, необходимо совершить определенную работу за счет некоторого источника энергии, т.е. произвести определенные изменения в окружающей среде.

Такие процессы  в окружающей среде называются компенсационными.

Источник: https://fizika-student.ru/obratimye-i-neobratimye-processy-v-termodinamicheskoy-sisteme.html

Физика Б1.Б8

Молекулярная физика — это раздел физики, который рассматривает свойства макроскопических тел и их агрегатные состояния с точки зрения их молекулярного строения, взаимодействия и движения молекул. Она изучает явления, происходящие внутри макроскопических тел.

Основы молекулярной физики были заложены трудами Ломоносова, Джоуля, Больцмана, Клаузиуса, Максвелла и других ученых. Благодаря их трудам молекулярная физика прочно утвердилась в науке. Непосредственным опытным подтверждением молекулярно-кинетической теории являются процесс диффузии, броуновского движения, распространения запаха и многие другие явления.

Движение каждой молекулы в веществе может быть описано законами классической механики. Однако число молекул в веществе чрезвычайно велико, направления и величины скоростей молекул совершенно случайны и непрерывно изменяются так, что становится невозможным охватить уравнениями движения всю совокупность молекул и сделать какие-либо выводы об их поведении.

Тем не менее, состояние вещества и его изменение определяется заданием небольшого числа определенных параметров, как температура, давление, объем, плотность и т.д., значения которых невозможно указать на основе решений уравнений классической механики.

Дело в том, что свойства огромного числа молекул подчиняется особым, статистическим закономерностям. Статистическая физика изучает статистические закономерности, описывающие поведение большой совокупности объектов.

Она основывается на теории вероятностей и позволяет вычислять средние значения величин, характеризующих движение всей совокупности молекул (средние скорости молекул, средние кинетические энергии, средние значения импульса и т. д.

) и на этой основе истолковывает свойства вещества, непосредственно наблюдаемые на опыте (давление, температура и т.д.). В этом состоит суть молекулярно-кинетического изучения вещества.

Наряду со статистическим, существует термодинамический метод изучения вещества. В отличие от статистического метода термодинамический метод не интересуется  строением вещества. Термодинамика изучают условия превращения энергии и характеризует их с количественной стороны.    

В основе термодинамики лежит небольшое число закономерностей, установленных на основе большого числа опытных фактов и получивших название начала термодинамики.

У статистической физики и термодинамики общий предмет изучения – свойства вещества и происходящие в нем процессы. Подходя к изучению этих свойств с разных точек зрения, эти методы взаимно дополняют друг друга. 

 Совокупность тел, могущих обмениваться энергией между собой и с внешними телами, не входящими в эту систему, называется термодинамической системой. Одним из основных понятий термодинамики является понятие состояния системы.

Состояние системы определяется совокупностью значений всех величин, характеризующих физические свойства системы и называемых термодинамическими параметрами (температура, давление плотность, теплоемкость, электропроводность и т. д.). Состояние системы называется стационарным, если значения всех термодинамических параметров не изменяются во времени.

Стационарное состояние называется равновесным, если его неизменность не обусловлена протеканием каких-либо процессов во внешних по отношению к данной системе телах.

Исследования показывают, что параметры состояния тел взаимно связаны и могут быть выражены друг через друга. Поэтому термодинамическое состояние задается только ограниченным числом параметров состояния. Такие параметры называются основными параметрами состояния.

  Важнейшими параметрами состояния химически однородных систем являются плотность, объем, давление, температура. И между этими параметрами существует связь, выражаемая в виде математического уравнения .

Уравнение, связывающее основные параметры состояния, называется уравнением состояния системы.

Источник: https://moodle.kstu.ru/mod/book/view.php?id=31604&chapterid=7371

Обратимые и необратимые процессы (стр. 1 из 3)

• МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
• КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
• КАФЕДРА МЕНЕДЖМЕНТА
• «ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ ПРОЦЕССЫ»
• Курсовая работа
• Дисциплина: Теория организации

Студент группы Э-2737 Рудаков М.Ю.

1. Направление: Менеджмент
2. Специальность: Менеджмент
3. Руководитель: кандидат технических наук,

доцент, Угринович В.И.

• Дата защиты:
• Оценка:
• Курган 1999
• СОДЕРЖАНИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных характеристик любой самоорганизующейся системы, ее эволюции, является необратимость, выражающаяся в саморазвитии систем и их определенной направленности.

Эти процессы могут быть обратимыми и необратимыми. В целом процесс будет необратим, если он является процессом перехода с одной стадии на другую.

Этому условию удовлетворяет самоорганизация – процесс развития мира, функционирующего на принципах «рынка природы».

Вся природа участвует в этом рынке, изобретает новые формы организации, новые способы действия, а механизм рынка по определенным правилам отбирает те формы организации, которые наиболее соответствуют равновесию систем.

Одно из важнейших свойств рынка – способность формировать такую петлю обратной связи, которая определяет стремление к равенству рынка. Рынок в экономическом смысле – это частный случай «рынка природы», который является естественным средством сопоставления различных форм организации общества.

Он не является изобретением человека, ему присущи все динамические процессы, протекающие в самоорганизующихся системах.

Понятие обратимого и необратимого процесса

Научно целесообразным представляется установить разграничение динамических процессов на эволюционные (иначе неповторимые, или необратимые) и волнообразные (повторимые, или обратимые).

Под эволюционными, или необратимыми, процессами мы понимаем те изменения, которые при отсутствии резких посторонних пертурбационных воздействий протекают в определенном и в одном и том же направлении.

Как например, можно указать на постоянную тенденцию роста населения, увеличение общего объема производства и др.

Замечу, что, называя некоторые динамические процессы эволюционными, неповторимыми или необратимыми, а другие обратимыми, я совершенно не имею здесь в виду известного противопоставления идиографической и номографической точек зрения. Все построения находятся в плоскости общей теории и не имеют ничего общего с идиографией.

Идиографическая точка зрения исключает возможность установления закономерностей. Но когда говорится об эволюционном, или неповторимом, процессе, то не отрицается возможности установления общей закономерности этого процесса.

Процесс этот неповторяем лишь в том смысле, что он, имея определенное направление, не может иметь двух или более звеньев, стоящих на одном и том же уровне или находящихся в одном и том же состоянии. Но это не значит, что не может быть найдена формула, выражающая закон перехода его от одного звена к другому.

Примером такой формулы могла бы служить известная формула развертывающегося ряда 1, 2, 4, 8, …, 2n или какая-либо другая. Это не значит также, что процесс этот, сам по себе неповторимый в данном месте и времени, не может с номографической точки зрения повториться в другом месте или в другое время.

Под волнообразными (повторимыми, или обратимыми) процессами понимаются те процессы изменений, которые в каждый данный момент имеют свое направление и, следовательно, постоянно меняют его, при которых явление, находясь в данный момент в данном состоянии и затем меняя его, рано или поздно может вновь вернуться к исходному состоянию.

Примером таких процессов могут служить процессы изменения товарных цен, процента, на капитал, процента безработных и т. д. Действительно, указанные элементы экономической жизни могут изменяться в различных направлениях.

Если рассматривать их изменения как непрерывные, то процесс этих изменений можно изобразить в виде кривой, направление которой в различные моменты будет различно. Рассматривая такую кривую, легко видеть, что, отправляясь от точки, стоящей на определенной высоте, через некоторое время она может пройти через точку, стоящую на той же высоте.

Правда, это будет не та же точка в строгом смысле слова: вторая точка, стоящая на том же уровне, что и первая, будет, однако, отвечать другому моменту времени и, конечно, другой комбинации общих экономических условий в производстве, распределении, спросе, предложении и т. д.

Для того чтобы вторая точка в полном смысле совпала с первой, необходимо было бы, чтобы все процессы изменений экономической действительности были обратимы, чтобы они все могли так же развиваться вперед, как и развертываться назад,— иначе говоря, чтобы к ним была неприложима категория времени.

Совершенно очевидно, что такой абсолютной обратимости в экономической жизни нет, что в ней есть по крайней мере некоторые заведомо необратимые процессы.

И поскольку все процессы ее взаимно связаны между собой, поскольку надо брать каждый отдельный процесс по связи с другими, и в том числе необратимыми, постольку в каждый новый момент времени том или ином отношении будет новая комбинацию условий, постольку надо признать, что все процессы экономической жизни необратимы.

Но в таком случае необходимо было бы на тех же основаниях признать, что необратимы и все процессы изменений природы. Однако предыдущие замечания позволяют отвергнуть лишь мысль об абсолютной и всеобщей обратимости. Действительно, как бы то ни было, нельзя отрицать существенного различия между теми процессами, при которых явления без вмешательства пертурбационных факторов, хотя бы и в другой момент времени и при иных общих условиях, могут оказаться на прежнем уровне, и теми процессами, при которых явления не могут оказаться на том же уровне.

Если первую серию процессов надо брать как таковую, отвлекаясь от второй серии процессов, то первая серия их может быть названа обратимыми процессами. Говоря об отвлечении от второй серии, не утверждается, что в действительности те и другие процессы протекают раздельно и независимо.

Признается лишь их принципиальное различие и подчеркивается разделение в порядке научного анализа. Чтобы подчеркнуть эту мысль, было бы правильно поэтому говорить не об абсолютно, а об относительно обратимых процессах в экономической жизни.

Итак, в относительном смысле мы можем говорить об обратимых процессах изменений элементов экономической жизни.

Идеи необратимых и обратимых процессов, так же как и идеи статики и динамики, принадлежат, в сущности говоря, естествознанию в узком смысле слова, физике и химии , идеи эти имеют в них очень большое значение.

Обратимые и необратимые процессы в экономике

Возникает вопрос: правомерно ли перенесение этих идей в экономику, и переносятся ли здесь только термины или и самые понятия? На первый вопрос при вдумчивом отношении едва ли можно дать иной ответ, кроме положительного. Перенесение той или иной идеи из одной науки в другую не может оспариваться, если оно научно плодотворно.

Раз оно плодотворно, значит, оно и правомерно, так как никакого иного критерия для решения этого вопроса нет и быть не может. Факты такого перенесения имеются, и они подтверждают высказанную мысль. И притом особенно многочисленны случаи перенесения идей из области общественной жизни и обществоведения в область естественных наук.

Вспомним об идеях и терминах: закон, сила, принцип экономии, ценность и др. Известно что эти заимствования, если не всегда, то в большинстве случаев, были научно плодотворны. Поэтому едва ли кто будет возражать против их правомерности.

И если в экономике еще со времен Милля пошли на заимствование идей статики и динамики, то непонятно, почему нельзя было бы расширить и сферу применения идей обратимых и необратимых процессов.

Чтобы правильно ответить на второй вопрос, необходимо помнить, что заимствование терминов из других наук почти всегда сопровождается большей или меньшей модификацией понятий: или их расширением, или уточнением, или радикальным изменением. В данном случае перенесены не только термины, но и понятия, расширяя их, но не лишая обычного общего смысла.

Действительно, согласно сказанному выше также нельзя говорить об абсолютно обратимых процессах в природе, как и в экономической жизни. Там и здесь речь идет лишь об относительно обратимых процессах. Далее, там и здесь обратимый процесс в чистом виде, хоть бы и в относительном смысле, фактически дан лишь в большей или в меньшей степени приближения.

Там и здесь, наконец, с идеей необратимых и обратимых процессов связано представление о возможности или невозможности повторения раз бывшего состояния тел, элементов или их системы.

И все различие в том и другом случае принципиально сводится лишь к тому, что в физике и химии мы имеем дело с состоянием одного и того же субъекта в вещном смысле, чего нет в экономике.

Если мы говорим, что качание маятника — процесс обратимый, то речь идет в каждом случае об одном и том же в вещном смысле маятнике, хотя, строго говоря, это и не совсем точно. Такого тождества вещного субстрата, о состоянии которого идет речь, нет в экономике.

Если мы говорим, что изменение цен есть процесс относительно обратимый, то мы утверждаем только, что уровень цен, равный в известный момент А, через известный промежуток времени может оказаться тем же или приблизительно тем же.

Мы знаем, что во второй момент по этой цене покупаются экономически те же, но вещно иные товары, что эта цена выплачивается персонально иным лицам, и т. д. Однако это отсутствие тождества вещного субстрата, о состоянии которого идет речь, не может служить достаточным аргументом против применимости понятий обратимых и необратимых процессов в экономике.

Если здесь нет тождества вещных субстратов, то есть тождество экономических явлений цены, процента и т. д. И так же, как различие физических и химических наук не мешает распространять понятие обратимых и необратимых процессов на обе изучаемые ими категории явлений, различие объекта физико-химических и экономических наук не может служить препятствием для расширения этого понятия до применения его к явлениям социально-экономическим. Иначе говоря, понятие обратимых и необратимых процессов в экономике можно рассматривать как частный случай более общего понятия о них.

Источник: https://mirznanii.com/a/158855/obratimye-i-neobratimye-protsessy

Обратимые и необратимые процессы

Обратимый процесс (то есть равновесный) — термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Обратимый процесс можно в любой момент заставить протекать в обратном направлении, изменив какую-либо независимую переменную на бесконечно малую величину.

Обратимые процессы дают наибольшую работу. Большую работу от системы вообще получить невозможно. Это придает обратимым процессам теоретическую важность. На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему.

Следует отметить, что термодинамическая обратимость процесса отличается от химической обратимости. Химическая обратимость характеризует направление процесса, а термодинамическая — способ его проведения.

Понятия равновесного состояния и обратимого процесса играют большую роль в термодинамике. Все количественные выводы термодинамики применимы только к равновесным состояниям и обратимым процессам.

Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы.

Примеры необратимых процессов: диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение и др.

Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом.

Все происходящие в природе физические процессы делятся на два типа — обратимые и необратимые.

Пусть изолированная система в результате некоторого процесса переходит из состояния А в состояние В и затем возвращается в начальное состояние.

Процесс называется обратимым, если возможно осуществить обратный переход из В в А через те же промежуточные состояния так, чтобы при этом не осталось никаких изменений в окружающих телах.

Если такой обратный переход осуществить нельзя, если по окончании процесса в самой системе или окружающих телах остались какие-то изменения, то процесс является необратимым.

Любой процесс, сопровождаемый трением, является необратимым, ибо при трении часть работы всегда превращается в тепло, тепло рассеивается, в окружающих телах остается след процесса — нагревание, что делает процесс с участием трения необратимым.

Идеальный механический процесс, происходящий в консервативной системе (без участия сил трения), был бы обратимым. Примером такого процесса является колебание тяжелого маятника на длинном подвесе.

Из-за малого сопротивления среды амплитуда колебаний маятника практически не изменяется в течение продолжительного времени, при этом кинетическая энергия колеблющегося маятника полностью переходит в его потенциальную энергию и обратно.

Важнейшей принципиальной особенностью всех тепловых явлений, в которых участвует громадное число молекул, является их необратимый характер. Примером необратимого процесса является расширение газа, даже идеального, в пустоту. Предположим, что нам дан закрытый сосуд, разделенный на две равные части заслонкой (рисунок. 1).

Пусть в части I находится некоторое количество газа, а в части II — вакуум. Опыт показывает, что если убрать заслонку, то газ равномерно распределится по всему объему сосуда (расширится в пустоту). Это явление происходит как бы «само собой» без внешнего вмешательства.

Сколько бы мы не следили в дальнейшем за газом, он будет всегда оставаться распределенным с одинаковой плотностью по всему сосуду; сколько бы мы ни ждали, нам не удастся наблюдать того, чтобы газ, распределенный по всему сосуду I + II сам собой, то есть без вмешательства извне, ушел из части II и сконцентрировался весь в части I, что дало бы нам возможность вновь вдвинуть заслонку и тем самым возвратиться к исходному состоянию. Таким образом, очевидно, что процесс расширения газа в пустоту является необратимым.

Источник: https://studbooks.net/1820846/matematika_himiya_fizika/obratimye_neobratimye_protsessy

Презентация «Обратимые и необратимые процессы. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики»

Обратимые и необратимые процессы. Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики

Токарева З.В.

учитель физики МБОУ лицей Уварово Тамбовской области

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.

Из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает.

Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое.

Реальные тепловые процессы необратимы.

Примеры:

При диффузии выравнивание концентраций происходит самопроизвольно. Обратный же процесс сам по себе никогда не пойдет: никогда самопроизвольно смесь газов, например, не разделится на составляющие ее компоненты. Следовательно, диффузия — необратимый процесс.

Теплообмен, как показывает опыт, также является односторонне направленным процессом. В результате теплообмена энергия передается сама по себе всегда от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе никогда не происходит.

Необратимым является также процесс превращения механической энергии во внутреннюю при неупругом ударе или при трении.

Существуют несколько 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.

Вечный двигатель первого рода — непрерывно или периодически действующая машина, которая совершала бы работу, большую подводимой к ней извне энергии, нарушает закон сохранения энергии, он же первое начало термодинамики

Из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Статистическое истолкование необратимости процессов в природе

Пронумеруем молекулы цифрами 1, 2, 3, 4.

Возможны 16 различных микросостояний, все они изображены на рисунке

Вероятность того, что все молекулы соберутся в левой половине сосуда, равна:

Вероятность же того, что молекулы распределятся поровну, будет в 6 раз больше:

Вероятность того, что в одной половине сосуда, например левой, будет три молекулы, а в другой соответственно одна молекула, равна

Большую часть времени молекулы будут распределены в половинках сосуда поровну: это наиболее вероятное состояние.

Молекулы идеального газа движутся практически независимо друг от друга. Для одной молекулы вероятность того, что она окажется в левой половине сосуда, равна, очевидно, 1/2. Такова же вероятность и для другой молекулы. Эти события независимы, и вероятность того, что первая и вторая молекулы окажутся в левой половине сосуда, равна произведению вероятностей событии:1/2•1/2=1/4=1/22.

Для трех молекул вероятность их нахождения в левой половине сосуда равна 1/23, а для четырех — 1/24. Именно такое значение вероятности мы и получили при детальном рассмотрении распределения молекул по сосуду.

Но если взять реальное число молекул газа в 1 см3 при нормальных условиях (n=3•1019), то вероятность того, что молекулы соберутся в одной половине сосуда объемом 1 см3, будет совершенно ничтожна:

Таким образом, только из-за большого числа молекул в макросистемах процессы в природе оказываются практически необратимыми. В принципе обратные процессы возможны, но вероятность их близка к нулю. Не противоречит, строго говоря, законам природы процесс, в результате которого при случайном движении молекул все они соберутся в одной половине класса, а учащиеся в другой половине класса задохнутся. Но реально это событие никогда не происходило в прошлом и не произойдет в будущем. Слишком мала вероятность подобного события, чтобы оно когда-либо случилось за все время существования Вселенной в современном ее состоянии — около нескольких миллиардов лет.

По приблизительным оценкам, эта вероятность примерно такого же порядка, как и вероятность того, что 20 000 обезьян, хаотично ударяя по клавишам пишущих машинок, напечатают без единой ошибки «Войну и мир» Л. Н. Толстого. В принципе это возможно, но реально никогда не произойдет.

Необратимость процессов в природе связана со стремлением систем к переходу в наиболее вероятное состояние, которому отвечает максимальный беспорядок.

Лекция Обратимые и необратимые процессы 2. Энтропия, изменениеэнтропии

Т 1 > Т 2. Перепишем ее в виде

11.10 Энтропия. 2-е начало термодинамики Рассмотрим формулу (11.9.2), полученную для цикла Карно где Т 1 температура нагревателя, Q 1 тепло, полученное газом от нагревателя, Т 2 температура холодильника,

Подробнее

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Сегодня среда, 9 июля 2014 г. ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ Лекция 6 Содержание лекции: *Второе начало термодинамики *Энтропия *Закон возрастания энтропии *Энтропия и вероятность *Философское значение II

Подробнее

ЦИКЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛОВАЯ МАШИНА

Сегодня среда, 9 июля 04 г. ЦИКЛИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ТЕПЛОВАЯ МАШИНА Лекция 5 Содержание лекции: *Прямой цикл. Тепловая машина *Коэффициент полезного действия тепловой машины *Цикл Карно. Теоремы Карно *Обратный

Подробнее

Тема: Тепловые машины. Энтропия

Тема: Тепловые машины Энтропия Основные понятия и определения Самопроизвольным называется процесс, происходящий без воздействия внешних сил В природе существует два вида термодинамических процессов: атимые

Подробнее

Второе начало термодинамики.

9 декабря 2011 года ЛЕКЦИЯ 6 (14) Второе начало термодинамики. Ю.Л.Колесников, 2011 Тепловые машины Содержание Лекции 14: Понятие энтропии. Энтропия как функция состояния системы. Изменение энтропии как

Подробнее

Лекция 9. Термодинамика

Лекция 9 Термодинамика Слово «термодинамика» состоит из двух греческих слов: «терме» теплота и «динамис» — сила. Термодинамика возникла как наука о процессах, происходящих в тепловых машинах: паровых котлах,

Подробнее

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ТЕРМОДИНАМИКА

СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ТЕРМОДИНАМИКА Распределение Максвелла Начала термодинамики Цикл Карно Распределение Максвелла В газе, находящемся в состоянии равновесия, устанавливается некоторое стационарное, не

Подробнее

Второе начало термодинамики

Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет УПИ Второе начало термодинамики Вопросы для программированного контроля по физике Екатеринбург 2006 УДК 533

Подробнее

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Взаимодействие системы с окружающей средой. Уравнение первого закона термодинамики. Основные термодинамические процессы 3. Основные положения второго закона 4. Термодинамические

Подробнее

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ЭНТРОПИЯ

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ ЭНТРОПИЯ Тепловые машины Тепловая машина периодически действующее устройство, преобразующее внутреннюю энергию в механическую работу В начале 8 века появились первые паровые

Подробнее

ПОДГОТОВКА К ЕГЭ по ФИЗИКЕ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» ПОДГОТОВКА К ЕГЭ по ФИЗИКЕ Лекция 8. Внутренняя энергия газа. Первый закон термодинамики. Работа газа в циклическом процессе. Тепловые двигатели

Подробнее

Лекция 8 Термодинамика

Лекция 8 Термодинамика План. Предмет и задачи термодинамики.. Нулевое начало. Температура. 3. Первое начало термодинамики. Внутренняя энергия. Теплоёмкость. 4. Работа идеального газа в изопроцессах. )

Подробнее

3.2. Работа и количество тепла. E V. pdv, (3.2.3)

3.. Работа и количество тепла. 3… Работа внешних сил и работа тела. Запишем работу da, совершаемую внешней силой -F x ( минус означает, что внешняя сила направлена против внутренних сил давления газа)

Подробнее

MODULE: ФИЗИКА (ТЕРМОДИНАМИКА_МОДУЛЬ 2)

Education Quality Assurance Centre Институт Группа ФИО MODULE: ФИЗИКА (ТЕРМОДИНАМИКА_МОДУЛЬ 2) Ответ Вопрос Базовый билет Нас 1 2 Броуновское движение это движение 1) молекул жидкости 3) мельчайших частиц

Подробнее

Глава 6 Основы термодинамики 29

Глава 6 Основы термодинамики 9 Число степеней свободы молекулы Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы молекул Внутренняя энергия U это энергия хаотического движения микрочастиц системы

Подробнее

ТЕРМОДИНАМИКА. Лекция 3

ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1. Взаимодействие системы с окружающей средой 2. Уравнение первого закона термодинамики 3. Анализ уравнения первого закона термодинамики 4. Термодинамические процессы (равновесие

Подробнее

Лекция 5. Второй закон термодинамики

Лекция 5. Второй закон термодинамики Формулировки второго закона термодинамики Второй закон термодинамики так же, как и первый, не имеет никаких доказательств, кроме человеческого опыта в земных условиях.

Подробнее

Е. стр. стр.71-83, Э. стр , П. стр

Лекция 4 Е. стр. стр.7-8, Э. стр. 7-8, П. стр. 5-4. Второй закон термодинамики. Самопроизвольные процессы внутри изолированной системы. В каком направлении они идут? Примеры самопроизвольных процессов.

Подробнее

Занятие 8. Термодинамика

Занятие 8. Термодинамика Вариант 4… Как изменяется внутренняя энергия идеального газа при повышении его температуры?. Увеличивается. Уменьшается. Не изменяется 4. Это не связанные величины 4… Давление

Подробнее

ЛЕКЦИЯ 11 (1) работу над окружающими телами.

ЛЕКЦИЯ Первое начало термодинамики. Применение I начала термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс. Уравнение Пуассона. Скорость звука в газах. Первое начало термодинамики является обобщением закона

Подробнее

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

1 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА Основные положения и определения Два подхода к изучению вещества Вещество состоит из огромного числа микрочастиц — атомов и молекул Такие системы называют макросистемами

Подробнее

Тема 8 Второе начало термодинамики

Тема 8 Второе начало термодинамики. Тепловые машины. Цикл Карно.. Теоремы Карно. К.п.д. цикла Карно.. Различные формулировки второго начала термодинамики.. еосуществимость вечных двигателей.. Тепловые

Подробнее

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции:. Теорема Карно. Интеграл Клаузиуса 3. Энтропия 4. Изменение энтропии газа в термодинамических процессах Лекция 8. ТЕОРЕМА КАРНО В рассмотренном ранее цикле Карно

Подробнее

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВТОРОГО ЗАКОНА

План лекции:. Основные положения второго закона. Термодинамические циклы. Цикл Карно 4. Теорема Карно 5. Интеграл Клаузиуса 6. Энтропия (физический смысл энтропии) ТЕРМОДИНАМИКА Лекция 5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Подробнее

ТЕМА.

ТЕМА Лекция 8. Работа газа в циклическом процессе. Тепловые двигатели. Цикл Карно. Матрончик Алексей Юрьевич кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики НИЯУ МИФИ, эксперт ГИА-11 по

Подробнее

Кузьмичев Сергей Дмитриевич

Кузьмичев Сергей Дмитриевич 1 Содержание лекции 3 1. Тепловая машина. 2. Второе начало термодинамики. 3. КПД тепловой машины. 4. Цикл Карно. КПД машины Карно. 5. Теоремы Карно. Необратимость тепловых процессов.

Подробнее

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Сегодня среда, 9 июля 04 г. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Лекция 4 Содержание лекции: *Обратимые и необратимые процессы *Число степеней свободы молекулы *Закон Больцмана *Первое начало термодинамики

Подробнее

Кузьмичев Сергей Дмитриевич

Кузьмичев Сергей Дмитриевич 1 Содержание лекции 3 1. Тепловая машина. 2. Второе начало термодинамики. 3. КПД тепловой машины. 4. Цикл Карно. КПД машины Карно. 5. Теоремы Карно. Необратимость тепловых процессов.

Подробнее

v — среднее значение квадрата скорости

Теоретическая справка к лекции 3 Основы молекулярно-кинетической теории (МКТ) Газы принимают форму сосуда и полностью заполняют объѐм, ограниченный непроницаемыми для газа стенками Стремясь расшириться,

Подробнее

ГЛОССАРИЙ К УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

1 ГЛОССАРИЙ К УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ ФИЗИКА направления подготовки 151900.62 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» Профиль 1 «Технология машиностроения» ПОНЯТИЯ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ,

Подробнее

Лекция 2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Лекция 2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ Внутренняя энергия Термодинамическая система состоит из огромного числа материальных частиц (атомов, молекул, ионов), которые находятся в непрерывном движении. Количественной

Подробнее

E de ds dv, (3.6.1) S T. (3.6.4) dt dt dt

1 3.6. Термодинамическое равновесие и термодинамические функции. Всякая неравновесная замкнутая система стремится к состоянию равновесия. Переходы от неравновесных состояний к равновесным могут проходить

Подробнее

ЧАСТЬ 5. ФИЗИКА МАКРОСИСТЕМ

ЧАСЬ 5. ФИЗИКА МАКРОСИСЕМ МЕОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МАКРОСИСЕМ Объектом изучения являются системы, состоящие из очень большого числа частиц: молекул, атомов, электронов, фотонов и других частиц. Колоссальное число

Подробнее

true_answer=4 true_answer=4 true_answer=1 true_answer=3

Красным цветом на рисунке изображена F(v) — плотность вероятности распределения молекул идеального газа по скоростям при некоторой температуре. Выберите правильный вариант изменения функции F(v) при нагревании

Подробнее

Основы термодинамики. Лекция 6.2.

Основы термодинамики Лекция 6.2. 1.Понятия термодинамики Термодинамика раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и

Подробнее

ЛЕКЦИЯ 10 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

ЛЕКЦИЯ 10 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ Термодинамическая система (тдс). Параметры состояния. Термодинамическое равновесие. Внутренняя энергия. Взаимодействие тдс. работа и теплота как форма обмена энергиями между

Подробнее

11.4 Число степеней свободы

Положение твердого тела определяется заданием 3-х координат его центра масс и любой, проходящей через него, плоскости. Ориентация такой плоскости задается вектором нормали, который имеет три проекции.

Подробнее

Курс лекций «Химия» Лекция 3 V /

Курс лекций «Химия» Лекция 3 V / изучает: 1. Тепловые эффекты химических и физикохимических процессов. 2. определяет возможности происхождения химических процессов. 3. Определяет предел протекания химической

Подробнее

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА План лекции: 1 Эксергия различных неравновесных систем 2 Третье начало термодинамики 3 Дифференциальные уравнения термодинамики Лекция 1 1 ЭКСЕРГИЯ РАЗЛИЧНЫХ НЕРАВНОВЕСНЫХ СИСТЕМ

Подробнее

Тема 6 Термодинамическая система

Тема 6 Термодинамическая система 1. Параметры состояния. 2. Термодинамическое равновесие. 3. Внутренняя энергия. 4. Работа и теплообмен, как формы передачи энергии. 5. Равновесные и неравновесные процессы.

Подробнее

3.2 Самопроизвольные, обратимые и необратимые процессы

Спонтанный процесс — это процесс, который действительно может происходить за конечный период времени при существующих условиях. Любое изменение во времени состояния системы, которое мы наблюдаем экспериментально, является спонтанным процессом.

Спонтанный процесс иногда называют естественным процессом, допустимым процессом, возможным процессом, разрешенным процессом или реальным процессом.

3.2.1 Обратимые процессы

Обратимые процессы — важное понятие в термодинамике.Эта концепция необходима для цепочки рассуждений, которая позволит нам определить изменения энтропии в следующей главе, а затем приведет к установлению критериев спонтанности и различных видов равновесия.

Прежде чем обсуждать обратимые процессы, необходимо объяснить значение , обратного процесса. Если конкретный процесс переводит систему из начального состояния A через непрерывную последовательность промежуточных состояний в конечное состояние B, то обратным ходу этого процесса является изменение во времени из состояния B в состояние A с теми же промежуточными состояниями, возникающими в обратная временная последовательность.Чтобы визуализировать обратный ход любого процесса, представьте, что вы снимаете фильм о событиях этого процесса. Каждый кадр фильма — это «моментальный снимок» состояния в один момент. Если вы пропустите фильм в обратном направлении через кинопроектор, вы увидите обратный процесс: значения системных свойств, таких как \ (p \) и \ (V \), по-видимому, изменяются в обратном хронологическом порядке, и каждая скорость меняет знак.

Понятие обратимого процесса нелегко описать или понять. Возможно, наиболее сбивающим с толку аспектом является то, что обратимый процесс — это не процесс, который когда-либо действительно происходит, а рассматривается только как гипотетический предел.Во время обратимого процесса система проходит через непрерывную последовательность состояний равновесия. К этим состояниям можно как угодно приблизиться с помощью состояний спонтанного процесса, выполняемого достаточно медленно. По мере того как самопроизвольный процесс протекает все медленнее, он приближается к обратимому пределу. Таким образом, обратимый процесс — это идеализированный процесс с последовательностью состояний равновесия, которые являются состояниями спонтанного процесса в пределах предела бесконечной медленности.

В этой электронной книге есть множество уравнений, выражающих отношения между теплотой, работой и функциями состояния во время различных видов обратимых процессов. Какая польза от уравнения для процесса, который на самом деле никогда не может произойти? Дело в том, что уравнение может описывать спонтанный процесс с высокой степенью точности, если процесс осуществляется достаточно медленно, чтобы промежуточные состояния лишь незначительно отклонялись от состояний точного равновесия. Например, для многих важных спонтанных процессов мы будем предполагать, что температура и давление одинаковы во всей системе, что, строго говоря, является приближением.

Обратимый процесс закрытой системы, используемый в этой электронной книге, имеет все следующие характеристики:

• Это воображаемый идеализированный процесс, в котором система проходит через непрерывную последовательность состояний равновесия. То есть состояние в каждый момент — это состояние, которое в изолированной системе будет сохраняться без тенденции к изменению с течением времени. (Этот тип процесса иногда называют квазистатическим процессом , ).
• Последовательность состояний равновесия может быть аппроксимирована настолько точно, насколько это необходимо, промежуточными состояниями реального спонтанного процесса, выполняемого достаточно медленно.Обратную последовательность состояний равновесия можно сколь угодно точно аппроксимировать промежуточными состояниями другого спонтанного процесса, протекающего достаточно медленно. (Это требование предотвращает обратимый предел для любого самопроизвольного процесса с гистерезисом, такого как пластическая деформация или растяжение металлической проволоки за предел ее упругости.) При приближении к бесконечной медленности очень медленные изменения должны быть устранены, т. Е. с гипотетическими ограничениями.
• Самопроизвольный процесс закрытой системы, имеющей обратимый предел, должен быть процессом с теплом, или работой, или тем и другим вместе — система не может быть изолированной. Экспериментатор должен иметь возможность использовать условия в окружающей среде для управления скоростью, с которой энергия передается через границу посредством тепла и работы, и, таким образом, заставлять процесс идти сколь угодно медленно.
• Если энергия передается работой во время обратимого процесса, рабочий коэффициент \ (Y \) в выражении \ (\ dw = Y \ dif X \) должен быть конечным (ненулевым) в состояниях равновесия системы.Например, если работа определяется выражением \ (\ dw = -F \ sups {sys} _x \ dx \) (уравнение 3.1.2), сила \ (F \ sups {sys} _x \), прилагаемая Система в окружающей среде должна присутствовать, когда система находится в состоянии равновесия.
• Когда спонтанный процесс с обратимым пределом протекает достаточно медленно, чтобы его состояния близко приближались к состояниям обратимого процесса, небольшое изменение сил, действующих на систему со стороны окружающей среды или внешней температуры на границе, может изменить процесс. тому, чьи состояния аппроксимируют последовательность состояний обратного процесса.Другими словами, достаточно лишь небольшого изменения внешних условий на границе или во внешнем поле, чтобы изменить направление процесса.
• В обратимом пределе исчезают диссипативные эффекты внутри системы, такие как внутреннее трение.
• Когда любой бесконечно малый шаг обратимого процесса происходит в обратном порядке, величины тепла \ (\ dq \) и работы \ (\ dw \) не меняются, а их знаки меняются местами. Таким образом, энергия, передаваемая теплом в одном направлении через границу во время обратимого процесса, полностью восстанавливается в виде энергии, передаваемой теплом в противоположном направлении в обратном процессе.Таким же образом восстанавливается энергия, передаваемая работой.

Мы должны представить себе обратимый процесс, протекающий с конечной скоростью, иначе не было бы изменения состояния с течением времени. Точная скорость изменения не важна. Представьте себе газ, объем, температура и давление которого изменяются с некоторой конечной скоростью, в то время как температура и давление магическим образом остаются совершенно одинаковыми во всей системе. Это полностью воображаемый процесс, потому что нет градиента температуры или давления — нет физической «движущей силы», которые заставили бы изменение иметь тенденцию происходить в определенном направлении.Этот воображаемый процесс — обратимый процесс, в котором к состояниям однородной температуры и давления приближаются состояния реального процесса, поскольку реальный процесс происходит все медленнее и медленнее.

Каждый раз, когда вы встречаете слово «обратимый», рекомендуется думать «в обратимом пределе». Таким образом, обратимый процесс , — это процесс в обратимом пределе, обратимая работа , — это работа в обратимом пределе и так далее.

Обратный обратимый процесс сам по себе является обратимым процессом.Как объяснялось выше, количество энергии, передаваемое через границу за счет тепла и работы во время обратимого процесса, полностью восстанавливается, когда за обратимым процессом следует обратный процесс. Эта характеристика обратимого процесса иногда описывается утверждением, что после того, как происходит обратимое изменение, можно восстановить как систему, так и локальное окружение в их исходное состояние без дальнейших изменений где-либо. Однако это утверждение вводит в заблуждение, поскольку в рассматриваемый период неизбежно происходят спонтанные изменения вне системы.По крайней мере, внешние операции, необходимые для управления скоростью и направлением передачи энергии через границу за счет тепла и работы, выполняемые человеком-исследователем или каким-то автоматическим механизмом, являются в высшей степени спонтанными по своей природе и рассеивают энергию в пространстве. окружение.

3.2.2 Необратимые процессы

Необратимый процесс — это спонтанный процесс, обратный ход которого не является ни спонтанным, ни обратимым. То есть, обратный необратимый процесс никогда не может произойти и невозможен .Если фильм создан из спонтанного процесса, и временная последовательность событий, изображенных фильмом при просмотре в обратном направлении, в действительности не может произойти, спонтанный процесс необратим.

Хорошим примером самопроизвольного, необратимого процесса является эксперимент 1 из раздела 3.1.3, в котором опускание внешнего груза, погруженного в воду, вызывает вращение лопастного колеса и повышение температуры воды. Во время этого эксперимента механическая энергия превращается в тепловую.Предположим, вы опускаете термометр в воду и снимаете фильм об эксперименте. Затем, когда вы пропустите пленку в проекторе, вы увидите, как лопаточное колесо вращается в направлении увеличения веса, а вода, согласно термометру, становится холоднее. Ясно, что этот обратный процесс невозможен в реальном физическом мире, и процесс, происходящий во время эксперимента, необратим. Нетрудно понять, почему это необратимо, когда мы рассматриваем события на микроскопическом уровне: крайне маловероятно, что молекулы H \ (_ 2 \) O рядом с лопастями могут одновременно перемещаться в течение определенного периода времени в согласованном пространстве. движение, необходимое для поднятия веса.

3.2.3 Чисто механические процессы

Существует класс спонтанных процессов, которые также являются самопроизвольными в обратном направлении; то есть спонтанно, но не необратимо. Это чисто механические процессы , включающие движение идеально упругих макроскопических тел без трения, температурных градиентов, вязкого течения или других необратимых изменений.

Рис. 3.2 Два чисто механических процесса, противоположных друг другу: брошенный мяч движется в вакууме (а) вправо; (б) слева.

Простой пример чисто механического процесса и его обратного показан на рис. 3.2. Мяч может самопроизвольно двигаться в любом направлении. Другой пример — маховик с подшипниками качения, вращающийся в вакууме.

Чисто механический процесс, протекающий с конечной скоростью, необратим, поскольку его состояния не являются состояниями равновесия. Такой процесс представляет собой идеализацию, отличную от обратимого процесса, и не представляет особого интереса для химии. В последующих главах этой электронной книги такие процессы будут игнорироваться, а термины спонтанный и необратимый будут рассматриваться как синонимы.

4.1 Обратимые и необратимые процессы — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определить обратимые и необратимые процессы
• Изложите второй закон термодинамики через необратимый процесс

Рассмотрим идеальный газ, который удерживается в половине теплоизолированного контейнера стенкой в ​​середине контейнера. Другая половина контейнера находится под вакуумом, внутри нет молекул.Теперь, если мы быстро удалим стену посередине, газ расширится и немедленно заполнит весь контейнер, как показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2 Газ, расширяющийся от половины контейнера до всего контейнера (a) до и (b) после удаления стенки в середине.

Поскольку половина контейнера находится под вакуумом до того, как газ там расширится, мы не ожидаем, что система будет выполнять какую-либо работу, то есть [латекс] W = 0 [/ латекс], поскольку сила вакуума не действует. на газ во время расширения.Если контейнер теплоизолирован от остальной окружающей среды, мы также не ожидаем какой-либо передачи тепла в систему, поэтому [латекс] Q = 0 [/ латекс]. Тогда первый закон термодинамики приводит к изменению внутренней энергии системы,

[латекс] \ text {Δ} {E} _ {\ text {int}} = QW = 0. [/ Latex]

Для идеального газа, если внутренняя энергия не изменяется, температура остается прежней. Таким образом, уравнение состояния идеального газа дает нам конечное давление газа, [латекс] p = nRT \ text {/} V = {p} _ {0} \ text {/} 2, [/ latex] где [латекс] {p} _ {0} [/ latex] — давление газа перед расширением.Объем увеличился вдвое, а давление уменьшилось вдвое, но, похоже, во время расширения ничего не изменилось.

Все это обсуждение основано на том, что мы уже узнали, и имеет смысл. Вот что нас озадачивает: могут ли все молекулы вернуться в исходную половину контейнера в будущем? Наша интуиция подсказывает нам, что это будет очень маловероятно, хотя ничто из того, что мы узнали до сих пор, не предотвращает такое событие, независимо от того, насколько мала вероятность.На самом деле мы спрашиваем, является ли расширение в вакуумную половину контейнера обратимым .

Обратимый процесс — это процесс, в котором система и среда могут быть восстановлены в точно такое же начальное состояние, в котором они находились до того, как процесс произошел, если мы вернемся назад по пути процесса. Таким образом, необходимым условием обратимого процесса является квазистатическое требование. Обратите внимание, что восстановить систему в исходное состояние довольно просто; труднее всего одновременно восстановить окружающую среду в исходное состояние.Например, в примере идеального газа, расширяющегося в вакуум до двойного первоначального объема, мы можем легко толкнуть его назад с помощью поршня и восстановить его температуру и давление, отводя некоторое количество тепла от газа. Проблема в том, что мы не можем сделать это, не изменив что-то в его окружении, например, сбросив туда немного тепла.

Обратимый процесс — действительно идеальный процесс, который случается редко. {23} [/ латексными] частицами или молекулами, где многочисленные столкновения между этими молекулами стремятся стереть любые следы памяти о начальная траектория каждой из частиц.Например, мы действительно можем оценить вероятность того, что все частицы в расширенном газе вернутся в исходную половину контейнера, но нынешний возраст Вселенной все еще недостаточен, чтобы это произошло хотя бы один раз.

Необратимый процесс — это то, с чем мы сталкиваемся в реальности почти все время. Систему и ее окружение нельзя восстановить в исходное состояние одновременно. Так как это происходит в природе, это также называют естественным процессом.Признак необратимого процесса исходит из конечного градиента между состояниями, возникающими в реальном процессе. Например, когда тепло перетекает от одного объекта к другому, между двумя объектами существует конечная разница температур (градиент). Что еще более важно, в любой данный момент процесса система, скорее всего, не находится в равновесии или в четко определенном состоянии. Это явление называется необратимостью .

Рассмотрим еще один пример необратимости тепловых процессов.Рассмотрим два объекта в тепловом контакте: один при температуре [латекс] {T} _ {1} [/ latex], а другой при температуре [латекс] {T} _ {2}> {T} _ {1} [/ latex ], как показано на Рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 Самопроизвольный тепловой поток от объекта с более высокой температурой [латекс] {T} _ {2} [/ latex] к объекту с более низкой температурой [латекс] {T} _ {1}. [/ Latex]

Мы знаем из личного опыта, что тепло течет от более горячего объекта к более холодному. Например, когда мы держим в руках несколько кусочков льда, мы чувствуем холод, потому что тепло оставило наши руки во льду.Обратное верно, когда мы держим один конец металлического стержня, а другой конец держим над огнем. Основываясь на всех экспериментах по самопроизвольной теплопередаче, следующее утверждение резюмирует основной принцип:

Второй закон термодинамики (заявление Клаузиуса)

Тепло никогда не перетекает самопроизвольно от более холодного объекта к более горячему.

Это утверждение оказывается одним из нескольких различных способов сформулировать второй закон термодинамики.Форма этого утверждения приписывается немецкому физику Рудольфу Клаузиусу (1822–1888) и упоминается как утверждение Клаузиуса второго закона термодинамики . Слово «спонтанно» здесь означает, что третья сторона не предприняла никаких других усилий или не является ни более горячим, ни более холодным объектом. Мы представим некоторые другие основные положения второго закона и покажем, что они подразумевают друг друга. Фактически, можно показать, что все различные утверждения второго закона термодинамики эквивалентны, и все они приводят к необратимости спонтанного теплового потока между макроскопическими объектами, состоящими из очень большого числа молекул или частиц.

И изотермические, и адиабатические процессы, изображенные на графике pV (обсуждаются в Первом законе термодинамики), в принципе обратимы, потому что система всегда находится в состоянии равновесия в любой точке процесса и может двигаться вперед или назад в заданном направлении. кривые. Другие идеализированные процессы могут быть представлены кривыми pV ; В таблице 4.1 приведены наиболее распространенные обратимые процессы.

Краткое описание простых термодинамических процессов

Процесс	Постоянное количество и результирующий факт
Изобарический	Постоянное давление [латекс] W = p \ text {Δ} V [/ латекс]
Изохорный	Постоянный объем [латекс] W = 0 [/ латекс]
Изотермический	Постоянная температура [латекс] \ text {Δ} T = 0 [/ латекс]
Адиабатический	Нет теплопередачи [латекс] Q = 0 [/ латекс]

Сводка

• Обратимый процесс — это процесс, при котором и система, и ее среда могут вернуться в то состояние, в котором они находились, следуя обратному пути.
• Необратимый процесс — это процесс, при котором система и ее среда не могут вместе вернуться в то состояние, в котором они находились.
• Необратимость любого естественного процесса вытекает из второго закона термодинамики.

Концептуальные вопросы

Приведите пример происходящего в природе процесса, который настолько близок к обратимому, насколько это возможно.

Показать решение

Возможные решения: движение без трения; сдержанное сжатие или расширение; передача энергии в виде тепла из-за бесконечно малой неоднородности температуры; электрический ток протекает через нулевое сопротивление; сдержанная химическая реакция; и смешивание двух образцов одного и того же вещества в одном и том же состоянии.{5} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {Pa}. [/ Latex] Температура воздуха вне резервуара составляет [латекс] 20.0 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex }} \ text {° C} [/ латекс]. Молярная масса [латекса] {\ text {Cl}} _ {2} [/ latex] составляет 70,9 г / моль. а) Каков объем бака? б) Какова внутренняя энергия газа? (c) Какую работу выполняет газ, если температура и давление внутри баллона упадут до [латекс] 31,0 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {° C} [/ latex] и [ латекс] 3.80 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} × \ phantom {\ rule {0.{3} \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} \ text {J} [/ latex]

Моль идеального газа при давлении 4,00 атм и температуре 298 К изотермически расширяется, удваивая свой объем. Какую работу выполняет газ?

После свободного расширения в четыре раза моль идеального двухатомного газа изобарически сжимается до исходного объема, а затем охлаждается до исходной температуры. Каков минимум тепла, отводимого от газа на последнем этапе восстановления его состояния?

Показать решение

[латекс] 4.5 \ phantom {\ rule {0.2em} {0ex}} p {V} _ {0} [/ latex]

Глоссарий

Утверждение Клаузиуса второго начала термодинамики

тепло никогда не перетекает самопроизвольно от более холодного объекта к более горячему

необратимость

Явление, связанное с естественным процессом

необратимый процесс

процесс, в котором ни система, ни ее окружение не могут быть восстановлены в исходное состояние одновременно

обратимый процесс

процесс, в котором и система, и внешняя среда теоретически могут быть возвращены в исходное состояние

Лицензии и указания авторства

Обратимые и необратимые процессы. Автор : OpenStax College. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/4-1-reversible-and-irreversible-processes. Лицензия : CC BY: Attribution . Условия лицензии : бесплатно загрузите с https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-introduction

Энтропия и второй закон термодинамики: беспорядок и недоступность энергии

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите энтропию.
• Вычислить увеличение энтропии в системе с обратимыми и необратимыми процессами.
• Объясните ожидаемую судьбу Вселенной в энтропийных терминах.
• Вычислить возрастающий беспорядок в системе.

Рис. 1. Лед в этом напитке медленно тает. В конце концов жидкость достигнет теплового равновесия, как предсказывает второй закон термодинамики. (Источник: Джон Салливан, PDPhoto.org)

Есть еще один способ выразить второй закон термодинамики.Эта версия относится к концепции под названием энтропия . Изучив его, мы увидим, что направления, связанные со вторым законом — например, теплопередача от горячего к холодному — связаны с природной тенденцией к тому, что системы становятся неупорядоченными и меньше энергии доступно для использования в качестве работы. Фактически можно показать, что энтропия системы является мерой ее беспорядка и недоступности энергии для выполнения работы.

Установление связей: энтропия, энергия и работа

Напомним, что простое определение энергии — это способность выполнять работу.Энтропия — это мера того, сколько энергии недоступно для выполнения работы. Хотя все формы энергии взаимопреобразуемы и все могут быть использованы для работы, не всегда возможно, даже в принципе, преобразовать всю доступную энергию в работу. Эта недоступная энергия представляет интерес для термодинамики, потому что область термодинамики возникла из попыток преобразовать тепло в работу.

Мы можем увидеть, как определяется энтропия, вспомнив наше обсуждение двигателя Карно. Мы отметили, что для цикла Карно и, следовательно, для любых обратимых процессов

[латекс] \ displaystyle \ frac {Q _ {\ text {c}}} {Q _ {\ text {h}}} = \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}} }\\[/латекс].

Перестановка условий дает

[латекс] \ displaystyle \ frac {Q _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {c}}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {T _ {\ text {h}} } \\ [/ latex]

для любого обратимого процесса. Q _c и Q _h — абсолютные значения теплоотдачи при температурах T _c и T _h соответственно. Это соотношение [латекс] \ frac {Q} {T} \\ [/ latex] определяется как изменение энтропии Δ S для обратимого процесса, [латекс] \ Delta {S} = \ left (\ frac {Q} {T} \ right) _ {\ text {rev}} \\ [/ latex], где Q — теплопередача, положительная для теплопередачи в и отрицательная для теплопередачи из , а T — абсолютная температура, при которой происходит обратимый процесс.Единица измерения энтропии в системе СИ — джоули на кельвин (Дж / К). Если температура изменяется во время процесса, то обычно хорошим приближением (для небольших изменений температуры) будет принять T в качестве средней температуры, избегая необходимости использовать интегральное исчисление для определения Δ S .

Определение Δ S действительно только для обратимых процессов, например, используемых в двигателе Карно. Однако мы можем точно определить Δ S даже для реальных, необратимых процессов.Причина в том, что энтропия S системы, как и внутренняя энергия U , зависит только от состояния системы, а не от того, как она достигла этого состояния. Энтропия — это свойство состояния. Таким образом, изменение энтропии Δ S системы между состоянием 1 и состоянием 2 одинаково, независимо от того, как происходит изменение. Нам просто нужно найти или представить себе обратимый процесс, который переводит нас из состояния 1 в состояние 2, и вычислить Δ S для этого процесса. Это будет изменение энтропии для любого процесса, переходящего из состояния 1 в состояние 2.(См. Рисунок 2.)

Рис. 2. Когда система переходит из состояния 1 в состояние 2, ее энтропия изменяется на ту же величину Δ S , независимо от того, идет ли гипотетический обратимый путь или выбирается реальный необратимый путь.

Теперь давайте посмотрим на изменение энтропии двигателя Карно и его тепловых резервуаров за один полный цикл. В горячем резервуаре потеря энтропии [латекс] \ Delta {S} _ {\ text {h}} = \ frac {-Q _ {\ text {h}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], потому что теплопередача происходит из него (помните, что когда тепло отводится, то Q имеет отрицательный знак).Холодный резервуар имеет прирост энтропии [латекс] \ Delta {S} _ {\ text {c}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {c}}} \\ [ / латекс], потому что в него происходит теплопередача. (Мы предполагаем, что резервуары достаточно большие, чтобы их температура была постоянной.) Таким образом, полное изменение энтропии составляет Δ S _до = Δ S _h + Δ S _c .

Таким образом, поскольку мы знаем, что [латекс] \ frac {Q _ {\ text {h}}} {T _ {\ text {h}}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {c}}} \\ [/ latex] для двигателя Карно, [latex] \ Delta {S} _ {\ text {tot}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {T _ {\ text {h}}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {c}}} = 0 \\ [/ latex].

Этот результат, имеющий общую силу, означает, что полное изменение энтропии для системы в любом обратимом процессе равно нулю.

Энтропия различных частей системы может изменяться, но общее изменение равно нулю. Кроме того, система не влияет на энтропию своего окружения, так как теплообмен между ними не происходит. Таким образом, обратимый процесс не изменяет ни общую энтропию системы, ни энтропию ее окружения. Иногда об этом говорят так: Обратимые процессы не влияют на полную энтропию Вселенной. Однако реальные процессы необратимы, и они действительно изменяют общую энтропию. Однако мы можем использовать гипотетические обратимые процессы для определения значения энтропии в реальных необратимых процессах. Пример 1 иллюстрирует это.

Пример 1. Увеличение энтропии в необратимом (реальном) процессе

Самопроизвольная передача тепла от горячего к холодному — необратимый процесс. Рассчитайте полное изменение энтропии, если 4000 Дж теплопередачи происходит от горячего резервуара при T _h = 600 K (327ºC) к холодному резервуару при T _c = 250 K (-23ºC), предполагая нет изменения температуры ни в одном из резервуаров.(См. Рисунок 3.)

Рис. 3. (a) Передача тепла от горячего объекта к холодному — это необратимый процесс, который приводит к общему увеличению энтропии. (b) То же самое конечное состояние и, следовательно, такое же изменение энтропии достигается для объектов, если между двумя объектами происходят обратимые процессы теплопередачи, температура которых совпадает с температурами соответствующих объектов в необратимом процессе.

Стратегия

Как мы можем рассчитать изменение энтропии для необратимого процесса, если Δ S _tot = Δ S _h + Δ S _c справедливо только для обратимых процессов? Помните, что полное изменение энтропии горячего и холодного резервуаров будет одинаковым независимо от того, идет ли речь об обратимом или необратимом процессе в передаче тепла от горячего к холодному.Таким образом, мы можем рассчитать изменение энтропии горячего резервуара для гипотетического обратимого процесса, в котором от него происходит передача тепла 4000 Дж; затем мы делаем то же самое для гипотетического обратимого процесса, в котором 4000 Дж теплопередачи происходит в холодный резервуар. Это вызывает те же изменения в горячем и холодном резервуарах, которые произошли бы, если бы теплопередача между ними происходила необратимо, и, таким образом, это также вызывает такие же изменения энтропии.

Решение

Теперь вычислим два изменения энтропии, используя Δ S _tot = Δ S _h + Δ S _c .Во-первых, для передачи тепла от горячего резервуара

[латекс] \ displaystyle \ Delta {S} _ {\ text {h}} = \ frac {-Q _ {\ text {h}}} {T _ {\ text {h}}} = \ frac {-4000 \ текст {J}} {600 \ text {K}} = — 6,67 \ text {J / K} \\ [/ latex]

А для холодного резервуара,

[латекс] \ displaystyle \ Delta {S} _ {\ text {c}} = \ frac {-Q _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {c}}} = \ frac {4000 \ text {J}} {250 \ text {K}} = 16,0 \ text {J / K} \\ [/ latex]

Таким образом, всего

[латекс] \ begin {array} {lll} \ Delta {S} _ {\ text {tot}} & = & \ Delta {S} _ {\ text {h}} + \ Delta {S} _ {\ текст {c}} \\\ text {} & = & \ left (-6.67 + 16.0 \ right) \ text {J / K} \\\ text {} & = & 9.33 \ text {J / K} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Энтропия системы из двух тепловых резервуаров, подвергающихся этой необратимой передаче тепла, увеличивается на и на . Мы увидим, что это означает потерю способности работать с переданной энергией. Энтропия увеличилась, и энергия стала недоступной для работы.

Естественно, что энтропия увеличивается при передаче тепла от горячего к холодному.Поскольку изменение энтропии составляет [латекс] \ frac {Q} {T} \\ [/ latex], существует большее изменение при более низких температурах. Таким образом, уменьшение энтропии горячего объекта меньше, чем увеличение энтропии холодного объекта, что приводит к общему увеличению, как и в предыдущем примере. Это очень общий результат:

Существует увеличение энтропии для любой системы, в которой происходит необратимый процесс.

Что касается энтропии, есть только две возможности: энтропия постоянна для обратимого процесса и увеличивается для необратимого процесса.Существует четвертая версия второго закона термодинамики, выраженная в терминах энтропии :

.

Полная энтропия системы либо увеличивается, либо остается постоянной в любом процессе; он никогда не уменьшается.

Например, теплопередача не может происходить самопроизвольно от холода к горячему, потому что энтропия уменьшится.

Энтропия сильно отличается от энергии. Энтропия не сохраняется, а увеличивается во всех реальных процессах. Обратимые процессы (например, в двигателях Карно) — это процессы, в которых происходит наибольшая теплопередача к работе, а также те, которые поддерживают постоянную энтропию.Таким образом, мы вынуждены установить связь между энтропией и доступностью энергии для выполнения работы.

Энтропия и недоступность энергии для выполнения работы

Что означает изменение энтропии и почему это должно нас интересовать? Одна из причин заключается в том, что энтропия напрямую связана с тем, что не вся теплопередача может быть преобразована в работу. Пример 2 дает некоторое представление о том, как увеличение энтропии приводит к уменьшению теплопередачи при работе.

Пример 2. При данном теплопереносе производится меньше работы, когда изменение энтропии больше

1. Рассчитайте рабочую мощность двигателя Карно, работающего в диапазоне температур от 600 K до 100 K, для передачи тепла к двигателю 4000 Дж.
2. Теперь предположим, что теплопередача 4000 Дж происходит сначала от резервуара 600 К к резервуару 250 К (без выполнения какой-либо работы, и это приводит к увеличению энтропии, вычисленному выше), а затем передается в двигатель Карно, работающий от 250 до 100 К K. Какие результаты работы производятся? (См. Рисунок 4.)

Рис. 4. (a) Двигатель Карно, работающий при температуре от 600 K до 100 K, имеет 4000 Дж теплопередачи и выполняет 3333 Дж работы. (b) Теплопередача 4000 Дж сначала происходит необратимо в резервуар 250 К, а затем переходит в двигатель Карно.Увеличение энтропии, вызванное теплопередачей в более холодный резервуар, приводит к меньшей выходной мощности — 2400 Дж. Постоянная потеря энергии на выполнение работы составляет 933 Дж.

Стратегия

В обеих частях мы должны сначала рассчитать КПД Карно, а затем объем работы.

Решение части 1

Эффективность Карно определяется выражением [латекс] \ mathit {Eff} _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/латекс].

Подстановка заданных температур дает [латекс] \ mathit {Eff} _ {\ text {C}} = 1- \ frac {100 \ text {K}} {600 \ text {K}} = 0.833 \ [/ латекс].

Теперь объем работы можно рассчитать, используя определение эффективности для любого теплового двигателя в виде [latex] \ mathit {Eff} = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex] .

Решение W и замена известных терминов дает

[латекс] \ begin {array} {lll} W & = & \ mathit {Eff} _ {\ text {C}} Q _ {\ text {h}} \\\ text {} & = & \ left (0.833 \ вправо) \ влево (4000 \ text {J} \ right) = 3333 \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]

Решение части 2

Аналогично [латекс] \ mathit {Eff} \ prime _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T \ prime _ {\ text {c}}} = \ frac {100 \ text {K}} {250 \ text {K}} = 0.600 \ [/ латекс]

, так что

[латекс] \ begin {array} {lll} W & = & \ mathit {Eff} \ prime _ {\ text {C}} Q _ {\ text {h}} \\\ text {} & = & \ left (0,600 \ right) \ left (4000 \ text {J} \ right) = 2400 \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

При том же теплопередаче во втором процессе работы на 933 Дж меньше. Этот результат важен. Одна и та же теплопередача в двух совершенных двигателях дает разные результаты работы, потому что изменение энтропии в этих двух случаях разное.Во втором случае энтропия больше, и работы производится меньше. Энтропия связана с наличием энергии и для выполнения работы.

Когда энтропия увеличивается, определенное количество энергии становится навсегда недоступным для выполнения работы. Энергия не теряется, но ее характер изменяется, так что некоторая ее часть никогда не может быть преобразована для выполнения работы, то есть в организованную силу, действующую на расстоянии. Например, в Примере 2 работа на 933 Дж меньше была сделана после увеличения энтропии на 9.33 Дж / К произошло при передаче тепла 4000 Дж от резервуара 600 К к резервуару 250 К. Можно показать, что количество энергии, которое становится недоступным для работы, составляет Вт _{отсутствует} = Δ S ⋅ T ₀ , где T ₀ — самая низкая используемая температура. В примере 2 Вт _{отсутствует} = (9,33 Дж / К) (100 К) = 933 Дж, как найдено.

Тепловая смерть Вселенной: передозировка энтропии

В ранней, энергичной Вселенной вся материя и энергия были легко взаимозаменяемы и идентичны по своей природе.Гравитация сыграла жизненно важную роль в молодой Вселенной. Хотя могло казаться беспорядочным и, следовательно, внешне энтропийным, на самом деле для совершения работы имелась огромная потенциальная энергия — вся будущая энергия во Вселенной.

По мере того, как Вселенная созревала, возникла разница температур, что создало больше возможностей для работы. Например, звезды горячее планет, которые теплее ледяных астероидов, которые еще теплее вакуума в пространстве между ними.

Большинство из них остывают после своего обычно бурного рождения, когда им была предоставлена ​​собственная энергия — ядерная энергия в случае звезд, вулканическая энергия на Земле и других планетах и ​​так далее. Однако без дополнительных затрат энергии их дни сочтены.

По мере увеличения энтропии все меньше и меньше энергии во Вселенной становится доступной для работы. На Земле у нас все еще есть большие запасы энергии, такой как ископаемое и ядерное топливо; крупномасштабные перепады температур, которые могут дать энергию ветра; геотермальная энергия из-за разницы температур в слоях Земли; и приливная энергия из-за нашего обилия жидкой воды.Когда они используются, определенная часть содержащейся в них энергии никогда не может быть преобразована в выполнение работы. В конце концов, все виды топлива будут исчерпаны, все температуры выровняются, и тепловые двигатели не смогут работать или выполнять работу.

Энтропия увеличивается в замкнутой системе, такой как вселенная. Но в некоторых частях Вселенной, например, в Солнечной системе, это не локально замкнутая система. Энергия течет от Солнца к планетам, пополняя запасы энергии Земли.Солнце будет продолжать снабжать нас энергией еще около пяти миллиардов лет. Мы будем наслаждаться прямой солнечной энергией, а также побочными эффектами солнечной энергии, такими как энергия ветра и энергия биомассы от фотосинтезирующих растений. Энергия Солнца будет поддерживать нашу воду в жидком состоянии, а гравитационное притяжение Луны будет продолжать обеспечивать приливную энергию. Но геотермальная энергия Земли будет медленно истощаться и не будет пополняться.

Но с точки зрения Вселенной и очень долгосрочной, очень крупномасштабной картины, энтропия Вселенной увеличивается, и поэтому доступность энергии для выполнения работы постоянно уменьшается.В конце концов, когда все звезды умерли, все формы потенциальной энергии были использованы и все температуры выровнялись (в зависимости от массы Вселенной, либо при очень высокой температуре после универсального сжатия, либо при очень низкой температуре непосредственно перед вся деятельность прекращается) работать не будет.

В любом случае Вселенная предназначена для термодинамического равновесия — максимальной энтропии. Это часто называют тепловой смертью вселенной , и это будет означать конец всей деятельности.Однако независимо от того, сжимается и нагревается Вселенная или продолжает расширяться и остывать, конец еще не близок. Расчеты черных дыр предполагают, что энтропия может легко продолжаться как минимум 10 ¹⁰⁰ лет.

Порядок беспорядка

Энтропия связана не только с недоступностью энергии для выполнения работы — она ​​также является мерой беспорядка. Это понятие изначально было высказано Людвигом Больцманом в 1800-х годах. Например, таяние глыбы льда означает превращение сильно структурированной и упорядоченной системы молекул воды в неупорядоченную жидкость, в которой молекулы не имеют фиксированных положений.(См. Рис. 5.) Как видно из следующего примера, в процессе происходит значительное увеличение энтропии.

Рис. 5. Когда лед тает, он становится более неупорядоченным и менее структурированным. Систематическое расположение молекул в кристаллической структуре заменяется более случайным и менее упорядоченным движением молекул без фиксированных положений или ориентации. Его энтропия увеличивается, потому что в него происходит передача тепла. Энтропия — это мера беспорядка.

Пример 3. Энтропия, связанная с расстройством

Найдите увеличение энтропии на 1.00 кг льда первоначально при 0 ° C, который тает с образованием воды при 0 ° C.

Стратегия

Как и раньше, изменение энтропии может быть вычислено из определения Δ S после того, как мы найдем энергию Q , необходимую для таяния льда.

Решение

Изменение энтропии определяется как: [latex] \ Delta {S} = \ frac {Q} {T} \\ [/ latex].

Здесь Q — теплопередача, необходимая для плавления 1,00 кг льда, и определяется как Q = мл _f , где м — масса, а L _f — скрытая теплота слияние.3 \ text {J / K} \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Это значительное увеличение энтропии, сопровождающее увеличение беспорядка.

В другом легко вообразимом примере предположим, что мы изначально смешали равные массы воды при двух разных температурах, скажем, 20,0 ° C и 40,0 ° C. В результате получается вода с промежуточной температурой 30,0 ° C. В результате были получены три результата: энтропия увеличилась, некоторая энергия стала недоступной для выполнения работы, и система стала менее упорядоченной.Давайте подумаем о каждом из этих результатов.

Во-первых, энтропия увеличилась по той же причине, что и в Примере 3. Смешивание двух водоемов имеет тот же эффект, что и передача тепла от горячего, и такая же теплопередача в холодный. Смешивание уменьшает энтропию горячей воды, но увеличивает энтропию холодной воды на большее количество, производя общее увеличение энтропии.

Во-вторых, когда две массы воды смешиваются, остается только одна температура — с ними нельзя запустить тепловую машину.Энергия, которая могла быть использована для запуска теплового двигателя, теперь недоступна для работы.

В-третьих, смесь менее упорядоченная или, используя другой термин, менее структурированная. Вместо того, чтобы иметь две массы при разных температурах и с различным распределением молекулярных скоростей, теперь у нас есть одна масса с однородной температурой.

Эти три результата — энтропия, недоступность энергии и беспорядок — не только связаны, но и фактически эквивалентны.

Жизнь, эволюция и второй закон термодинамики

Некоторые люди неправильно понимают второй закон термодинамики, выраженный в терминах энтропии, говоря, что процесс эволюции жизни нарушает этот закон.Со временем сложные организмы произошли от гораздо более простых предков, что привело к значительному уменьшению энтропии биосферы Земли. Это факт, что живые организмы эволюционировали до высоко структурированных и гораздо более низких по энтропии веществ, чем вещества, из которых они выросли. Но всегда возможно, чтобы энтропия одной части Вселенной уменьшилась, при условии, что общее изменение энтропии Вселенной увеличивается. В форме уравнения мы можем записать это как Δ S _tot = Δ S _syst + Δ S _envir > 0.

Таким образом, Δ S _syst может быть отрицательным, пока Δ S _envir является положительным и большим по величине.

Каким образом система может уменьшить свою энтропию? Передача энергии необходима. Если я беру шарики, разбросанные по комнате, и кладу их в чашку, моя работа уменьшала энтропию этой системы. Если я собираю с земли железную руду, превращаю ее в сталь и строю мост, моя работа уменьшала энтропию этой системы.Энергия, приходящая от Солнца, может уменьшать энтропию локальных систем на Земле, то есть Δ S _syst отрицательна. Но общая энтропия остальной Вселенной увеличивается на большую величину, то есть Δ S _envir положительна и больше по величине. Таким образом, Δ S _tot = Δ S _syst + Δ S _envir > 0, и второй закон термодинамики не нарушается.

Каждый раз, когда растение накапливает солнечную энергию в виде потенциальной химической энергии или восходящий поток теплого воздуха поднимает парящую птицу, Землю можно рассматривать как тепловую машину, работающую между горячим резервуаром, обеспечиваемым Солнцем, и холодным резервуаром. обеспечивается темным космическим пространством — тепловым двигателем высокой сложности, вызывающим локальное уменьшение энтропии, поскольку он использует часть теплопередачи от Солнца в глубокий космос.В результате такой массивной теплопередачи происходит большое общее увеличение энтропии. Небольшая часть этой теплопередачи сохраняется в структурированных системах на Земле, вызывая гораздо меньшее локальное уменьшение энтропии. (См. Рисунок 6.)

Рис. 6. Энтропия Земли может уменьшаться в процессе перехвата небольшой части теплопередачи от Солнца в глубокий космос. Энтропия всего процесса значительно возрастает, в то время как Земля становится более структурированной с живыми системами и накопленной энергией в различных формах.

Исследования PhET: обратимые реакции

Наблюдайте за реакцией, протекающей с течением времени. Как общая энергия влияет на скорость реакции? Варьируйте температуру, высоту барьера и потенциальную энергию. Запишите концентрации и время, чтобы извлечь коэффициенты скорости. Проведите температурно-зависимые исследования, чтобы извлечь параметры Аррениуса. Эту симуляцию лучше всего использовать под руководством учителя, поскольку она представляет собой аналог химических реакций.

Щелкните, чтобы загрузить симуляцию. Запускать на Java.

Сводка раздела

• Энтропия — это потеря энергии, доступной для выполнения работы.
• Другая форма второго закона термодинамики гласит, что полная энтропия системы либо увеличивается, либо остается постоянной; он никогда не уменьшается.
• Энтропия равна нулю в обратимом процессе; он увеличивается в результате необратимого процесса.
• Окончательной судьбой Вселенной, вероятно, будет термодинамическое равновесие, при котором универсальная температура постоянна и для работы нет энергии.
• Энтропия также связана с тенденцией к беспорядку в закрытой системе.

Концептуальные вопросы

1. Женщина закрывает дачу в сентябре и возвращается в июне. Тем временем в коттедж никто не заходил. Объясните, что она может найти, с точки зрения второго закона термодинамики.
2. Рассмотрим систему с определенным содержанием энергии, из которой мы хотим извлечь как можно больше работы. Энтропия системы должна быть высокой или низкой? Это порядок или беспорядок? Структурированный или равномерный? Кратко объясните.
3. Становится ли газ более упорядоченным при сжижении? Меняется ли его энтропия? Если да, энтропия увеличивается или уменьшается? Поясните свой ответ.
4. Объясните, как энтропия воды может уменьшаться при замерзании без нарушения второго закона термодинамики. В частности, объясните, что происходит с энтропией окружающей среды.
5. Является ли газ с однородной температурой более или менее упорядоченным, чем газ с несколькими разными температурами? Что более структурировано? Что может привести к передаче тепла при работе, выполняемой без передачи тепла от другой системы?
6. Приведите пример спонтанного процесса, в котором система становится менее упорядоченной, а энергия становится менее доступной для выполнения работы.Что происходит с энтропией системы в этом процессе?
7. Каково изменение энтропии в адиабатическом процессе? Означает ли это, что адиабатические процессы обратимы? Может ли процесс быть точно адиабатическим для макроскопической системы?
8. Энтропия звезды увеличивается или уменьшается по мере ее излучения? Увеличивается или уменьшается энтропия пространства, в которое он излучается (имеющего температуру около 3 К)? Что это делает с энтропией Вселенной?
9. Объясните, почему здание из кирпича имеет меньшую энтропию, чем такие же кирпичи в неорганизованной куче.Сделайте это, рассмотрев количество способов, которыми каждый может быть сформирован (количество микросостояний в каждом макросостоянии).

Задачи и упражнения

1. (a) Зимним днем ​​какой-то дом теряет 5,00 × 10 ⁸ Дж тепла снаружи (около 500 000 британских тепловых единиц). Каково полное изменение энтропии только за счет этой теплопередачи, если принять среднюю температуру в помещении 21,0 ° C и среднюю температуру наружного воздуха 5,00 ° C? (б) Это большое изменение энтропии означает, что большое количество энергии стало недоступным для выполнения работы.Где мы можем найти больше энергии, если она потеряна для нас?
2. В жаркий летний день происходит передача тепла 4,00 × 10 ⁶ Дж в припаркованный автомобиль, повышая его температуру с 35,0 ° C до 45,0 ° C. Каково увеличение энтропии автомобиля только за счет этой теплопередачи?
3. Горячий камень, выброшенный из лавового фонтана вулкана, охлаждается с 1100ºC до 40,0ºC, а его энтропия уменьшается на 950 Дж / К. Сколько тепла происходит от скалы?
4. Когда 1,60 × 10 ⁵ Дж теплопередачи происходит в мясной пирог первоначально при 20.0ºC его энтропия увеличивается на 480 Дж / К. Какова его конечная температура?
5. Солнце излучает энергию со скоростью 3,80 × 10 ²⁶ Вт со своей поверхности 5500ºC в темное пустое пространство (ничтожно малая часть излучается на Землю и другие планеты). Эффективная температура глубокого космоса -270ºC. (а) Каково увеличение энтропии за один день из-за этой теплопередачи? б) Сколько работы стало недоступно?
6. (a) При достижении равновесия, сколько тепла происходит от 1.00 кг воды при 40,0ºC, когда он находится в контакте с 1,00 кг воды 20,0ºC для достижения равновесия? (б) Каково изменение энтропии из-за этой теплопередачи? (c) Сколько работы становится недоступной, если принять самую низкую температуру 20,0 ° C? Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем для энтропии.
7. Каково уменьшение энтропии 25,0 г воды, которая конденсируется на зеркале в ванной при температуре 35,0 ° C, если предположить, что температура не изменится, и учитывая, что скрытая теплота испарения составляет 2450 кДж / кг?
8. Найдите увеличение энтропии на 1.00 кг жидкого азота, который начинается при температуре кипения, закипает и нагревается до 20,0 ° C при постоянном давлении.
9. Крупная электростанция вырабатывает 1000 МВт электроэнергии с КПД 35,0%. (а) Рассчитайте теплопередачу на электростанцию, Q _ч , за один день. (b) Сколько тепла передается в окружающую среду за один день Q _c ? (c) Если теплопередача в градирнях составляет от 35,0 ° C воды в местную воздушную массу, температура которой повышается с 18 ° C.От 0 ° C до 20,0 ° C, каково общее увеличение энтропии из-за этой теплопередачи? (d) Сколько энергии становится недоступной для работы из-за этого увеличения энтропии, если предположить, что самая низкая температура составляет 18,0 ° C? (Часть Q _c может использоваться для работы тепловых двигателей или просто для обогрева окружающей среды, но это редко.)
10. (a) Сколько тепла происходит от 20,0 кг воды с температурой 90,0 ° C, помещенных в контакт с 20,0 кг воды с температурой 10,0 ° C, с получением конечной температуры 50 ° C.0ºC? (b) Сколько работы мог бы сделать двигатель Карно с такой теплопередачей, если предположить, что он работает между двумя резервуарами при постоянных температурах от 90,0 ° C до 10,0 ° C? (c) Какое увеличение энтропии происходит при смешивании 20,0 кг воды с температурой 90,0 ° C и 20,0 кг воды с температурой 10,0 ° C? (d) Рассчитайте объем работы, недоступной из-за этого перемешивания, используя низкую температуру 10,0 ° C, и сравните ее с работой, выполненной двигателем Карно. Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем для энтропии.(e) Обсудите, как повседневные процессы делают все больше энергии недоступной для работы, что подразумевается этой проблемой.

Глоссарий

энтропия: измерение неупорядоченности системы и ее неспособности выполнять работу в системе

изменение энтропии: отношение теплопередачи к температуре [латекс] \ frac {Q} {T} \ [/ latex]

второй закон термодинамики, выраженный в терминах энтропии: полная энтропия системы либо увеличивается, либо остается постоянной; никогда не уменьшается

Избранные решения проблем и упражнения

1.(а) 9,78 × 10 ⁴ Дж / К; б) Чтобы получить больше энергии, мы должны генерировать ее из вещей в доме, таких как тепловой насос, человеческие тела и другие приборы. Как вы знаете, мы тратим много энергии на поддержание тепла в наших домах зимой из-за потери тепла наружу.

3. 8.01 × 10 ⁵ Дж

5. (а) 1.04 × 10 ³¹ Дж / К; (б) 3,28 × 10 ³¹ Дж

7. 199 Дж / К

9. (а) 2,47 × 10 ¹⁴ Дж; (б) 1,60 × 10 ¹⁴ Дж; (в) 2.85 × 10 ¹⁰ Дж / К; (г) 8,29 × 10 ¹² Дж

3,2 Обратимые и необратимые процессы

Одним из важнейших понятий термодинамики является понятие обратимого . и необратимые процессы .

Термодинамический процесс определяется как совокупность непрерывных изменение состояний термодинамической системы. Можно представить себе два процесса: развиваются по тому же пути между любыми двумя состояниями 1 и 2 система: из состояния 1 в состояние 2 и наоборот, из состояния 2 в состояние 1 , т.н. прямой и обратный процессы.

Процесс называется обратимым , если после того, как процесс был завершено в прямом и обратном направлениях, система возвращается в свое начальное состояние. Таким образом, совокупность прямого и обратного процессов не вызывает изменения окружающей среды.

Рассмотрим, например, два самолета A, и B с шаром, расположенным в точке 1 на одной из плоскостей (рис.3.3). Когда мяч движется вниз, он приобретает кинетическую энергию за счет потенциальная энергия. В точке 3 мяч обладает определенным количеством кинетическая энергия, позволяющая мячу подняться в другую плоскость; это кинетическая энергия уменьшается, но это компенсируется увеличением потенциальная энергия. Если нет трения между мячом и поверхностью по который он движется, а окружающий воздух не оказывает сопротивления движению мяч, в соответствии с законами механики, мяч должен подняться до того же уровня. высота, с которой началось его движение вниз по плоскости A , т.е.е. точки 1 и 2 расположены на такая же высота х над горизонтом. Мяч перестанет подниматься в точке 2, его скорость станет равной нулю, и мяч начнет катиться вниз, затем поднимитесь до точки 1 , и т. д. В условиях, указанных выше (отсутствие поверхностного трения и сопротивление воздуха движению) рассматриваемый процесс обратим.

Фиг.3,3

Для обратимых процессов обратный процесс является, так сказать, «зеркальное отображение» прямого процесса. Если, например, в прямом процессе в систему добавляется определенное количество тепла, в обратный процесс — от системы отводится точно такое же количество тепла; если система выполняет работу в прямом направлении на окружающую среду, затем при обратном процессе окружающая среда действует на систему, абсолютный объем этой работы равен работе, проделанной во время форварда. процесс.Если система подвергается расширению во время прямого процесса, сжатие системы будет происходить во время обратного процесса и т. д.

Процесс называется необратимым , если после того, как процесс выполнено в прямом и обратном порядке, система не возвращает в исходное состояние. По общему опыту, все естественные спонтанные процессы необратимы, а естественные обратимые процессы отсутствуют существовать.

Рассмотрим несколько примеров необратимых процессов.

Типичный пример необратимого процесса, сопровождающего многие естественные процессы, это вышеупомянутый процесс трения. Работа затрачена на преодоление трения необратимо превращается в тепло, которое выделяется в ход трения.

Наличие трения всегда приводит к абсолютному значению объем работы системы, подвергающейся прямому процессу, меньше, чем объем работы переносится в систему извне в ходе обратного процесса.Этот, например, объясняет тот факт, что на самом деле мяч, двигаясь с одного наклонная плоскость в другую и обратно, поднимается каждый раз на меньшую высоту, пока он не остановится в самой нижней точке. Чтобы преодолеть трение и сопротивление, оказываемое окружающей средой, необратимо расход энергии имеет место, и процесс самопроизвольно развивается в в одном направлении, пока система не перейдет в состояние покоя.

Процесс, происходящий в заведенных часах, также развивается в одном направлении пружина разматывается (или вес падает), а указатели перемещаются.Естественно, часы не заводятся сами по себе, без передачи работы снаружи.

Расширение газа в вакуумированное пространство, рассмотренное выше в П. 2.4 (эксперимент Гей-Люссака-Джоуля) также является типично необратимым процесс. Понятно, что газ, занимающий объем V ₁ до расширения и заполняющий объем V ₂ после расширения, не будет сжат без затрат. работы извне, и не будет снова накапливаться в объеме V ₁ освобождающий объем V ₂ .

То, что делает необратимыми любые механические процессы, — это трение. Как уже было сказано, при отсутствии трения любой механический процесс обратимый. Для того чтобы этот процесс мог быть выполнен в обратном порядке, достаточно менять знаки скоростей всех компонентов системы.

Процесс приготовления любого раствора или смеси также необратимый. Если, например, спирт смешан с водой, компоненты полученный раствор не будет расслаиваться сам по себе.

Протекание электрического тока в проводнике сопровождается необратимые потери, которые представляют собой потерю Джоуля способности преодолеть сопротивление проводника; эти потери приводят к тому, что электроэнергия оказывается в тепло. Величина этих потерь, аналогичных потерям в механических процессы из-за трения, не зависит от направления, в котором ток течет в проводнике.

Необратимый процесс, который часто встречается на практике, состоит в потоке тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкая температура.Многовековой опыт человечества показывает, что тепло не течь самопроизвольно от тела при более высокой температуре к телу при более низкой температура без затрат на внешние работы.

Следует отметить, что степень необратимости того или иного процесс может быть разным. Например, работа должна быть затрачена на преодоление силы трения как при движении полированного тела по полированной поверхности, так и когда тело движется по шероховатой поверхности, но величина работы преобразуется в теплоту трения во втором случае больше, чем в первом.Ниже, в В этой главе будет представлен объективный критерий, позволяющий качественно оценка степени необратимости различных реальных процессов.

Каждый из рассмотренных выше необратимых процессов может быть реализован в обратное направление, возвращающее систему в исходное состояние. Но для таких обратимый процесс, окружение должно подвергнуться компенсирующий процесс (связанный с расходом тепла или работы).

Итак, в примере с мячом, катящимся из наклонная поверхность, мяч также можно поднять до точки 2 при наличии трения, но для этого необходимо затратить работу, равную уменьшение энергии мяча из-за трения.Эта работа должна быть перенесено из какого-то внешнего источника. Газ расширяется в Гей-Люссаке Джоулев эксперимент снова можно вернуть в сосуд 1 , если, например, для этой цели используется вакуумный насос. Однако работа будет затрачена на управлять этим насосом. Рассматриваемые компоненты водно-спиртового раствора вышеуказанное может быть отделено посредством исправления, но это включает в себя расход определенного количества тепла. И, наконец, тепло можно передавать от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой (это осуществляется с помощью упомянутого выше обратного цикла тепловой машины. используется в холодильных установках), но этот процесс возможен при условии определенного объем работы затрачен.

Следует, однако, отметить, что необратимый процесс не может быть полностью отменен. Система возвращается в исходное состояние за счет необратимых изменений в окружающей среде.

Следует подчеркнуть, что любое стихийное (и, следовательно, необратимый) процесс, происходящий в системе, продолжается до тех пор, пока не установится равновесие система.

Практика показывает, что после достижения системой равновесия она остается в это состояние, т.е.е. система неспособна к самопроизвольному изменению состояния, что соответствует ранее сформулированному утверждению, что энергия спонтанного процесс необратим.

Важно визуализировать ясно, что систему можно привести в состояние равновесия, если система претерпевает как обратимые, так и необратимые процессы.

На основании вышеизложенного легко прийти к выводу, что система способна производить работать до тех пор, пока не перейдут в состояние равновесия . На самом деле выше было отмечено, что любой тепловой двигатель может выполнять работу при наличии как минимум двух источников тепла в наличии, высокотемпературный источник и низкотемпературный источник (радиатор). Если температуры высокотемпературного источника и стока становятся равными, т. е. если система, состоящая из высокотемпературного источника, рабочего тела или вещество и низкотемпературный источник (радиатор) переходит в тепловую При достижении равновесия передача тепла прекращается и работа не выполняется.

Рассмотренные выше примеры показывают, что отсутствие равновесия в о системе свидетельствует наличие в этой системе различия между некоторыми характеристические величины; это может быть либо разница температур в различные части системы или разность электрических потенциалов и т. д.

Как уже было сказано выше, степень необратимости необратимого процесс может отличаться. В принципе, степень необратимости может быть визуализируется как настолько малый, что процесс может быть практически реализован в обратимый способ.В этой связи полезно обратиться к понятию равновесные (квазистатические) и неравновесные процессы.

Любой неравновесный процесс становится равновесным, если скорость которого реализуется процесс, приближается к нулю. В то же время каждый неравновесный процесс необратим, и каждый равновесный процесс является обратимый. Другими словами, причина необратимости реального процессов заключается в их нахождении в неравновесном состоянии.Действительно, бесконечно медленное (квазистатическое) развитие процесса делает процесс обратимый. В бесконечно медленном процессе рабочее тело проходит через непрерывный ряд состояний равновесия, которые могут воспроизводиться, пока система претерпевает обратный процесс. Необратимые процессы, в которых результат конечной скорости, с которой они реализуются, проходят через неравновесные состояния рабочего тела, которые невозможно воспроизвести когда процесс обратный.Например, при конечной скорости поршня слои газа, прилегающие к поршню во время расширения, находятся под давлением ниже чем среднее давление задействованного газа и во время сжатия при более высокое давление. Этот процесс внутренне необратим. внутренний обратимость — результат постоянства параметров (свойств) над вся масса рабочего тела, в отличие от внешней необратимость, проистекающая из бесконечно малой разницы между температура рабочей среды и источника тепла, что позволяет изменение направления теплового потока при обратном развитии процесс.Как уже неоднократно упоминалось, тепло перетекает от одного тела к другому. другой только тогда, когда два тела находятся при разных температурах. Таким образом процесс теплопередачи — это, по сути, неравновесный необратимый процесс. Но если разница температур тел будет бесконечно мала, то и степень необратимости бесконечно мала, т. е. необратимый процесс теплопередачи оказывается максимально приближенным к обратимый процесс. Следует отметить, что если разница между температура двух тел бесконечно мала, скорость теплоотдачи между ними тоже будет бесконечно мало.

Несмотря на то, что реализовать практически невозможно обратимых процессов, концепция обратимого процесса оказывается очень полезный. Дело в том, что, во-первых, реальные процессы могут быть близки к обратимым. единицы в некоторых случаях и, во-вторых, удобнее рассматривать степень необратимости реального процесса по отношению к гипотетически обратимый процесс.

физическая химия — В чем причина термодинамического обратимого и необратимого процесса?

Попробую как-нибудь ответить на этот вопрос задом наперед.

3) Движущие и противодействующие силы: каждый процесс управляется какой-то «силой» (пожалуйста, не понимайте «силу» в традиционном физическом смысле; это скорее «рассуждение, почему что-то хочет что-то сделать»). Например, при наличии насыщенного раствора хлорида натрия ионы натрия и хлора, которые все еще связаны в своей ионной структуре в осадке, хотели бы раствориться, причем движущей силой является увеличение глобальной энтропии за счет большего беспорядка во всей системе.

С другой стороны, у каждого процесса есть противодействующая сила, которая пытается вернуть процесс в исходное состояние. В случае насыщенного раствора хлорида натрия противодействующая сила, вероятно, будет чем-то вроде высвобождения молекул воды из сольватной оболочки и, таким образом, увеличения локальной энтропии.

Наконец, для (по существу) необратимого процесса, такого как реакция водорода и хлора с образованием газообразного хлористого водорода: Это радикальная цепная реакция.Для каждой стадии реакции (образование радикалов хлора, гомолитическое расщепление водорода радикалом хлора с образованием хлористого водорода и радикала водорода, гомолитическое расщепление хлора радикалом водорода с образованием хлористого водорода и радикала хлора и, наконец, рекомбинация радикалов в зависимости от того, что комбинация) есть, конечно, движущие и противодействующие силы. Однако движущая сила обычно намного сильнее, чем сила противодействия. Например, хотя расщепление молекулы хлора радикалом водорода с образованием хлористого водорода и радикала хлора энергетически выгодно, радикал хлора никогда не будет атаковать хлористый водород с высвобождением радикала водорода, поскольку HCl намного более стабильна, чем водород или хлор. .

2) Чем меньше и менее быстро происходит изменение — в нашем случае растворение одной пары натрия и хлорида — очень небольшое изменение — тем легче просто пойти другим путем. Если изменение происходит «быстро» (мне не очень нравится это слово, но я недостаточно хорош, чтобы найти лучшее), то очевидно, что движущая сила сильнее, чем противодействующая сила, создавая предвзятость в отношении продукта. боковая сторона.

Но я согласен, что эта часть определения особенно слабая и трудная для понимания…

1) Любой процесс можно рассматривать как динамический, в котором изменения происходят как в прямом, так и в обратном направлении.Таким образом, даже если вы должны были сжечь метан — явно необратимый процесс — вы все равно можете рассматривать очень незначительные количества углекислого газа и воды, рекомбинирующих с образованием одной или двух молекул метана (и кислорода). Однако вы не сможете соблюдать надлежащее равновесие между метаном / кислородом и углекислым газом / водой.

Таким образом, в то время как обратимые процессы всегда находятся в равновесии между одной стороной и другой стороной, необратимые процессы сдвинуты так далеко в одну сторону, что на самом деле нет смысла определять для них равновесие, т.е.е. у них «нет возможности достичь равновесия».

Я надеюсь, что смогу чем-то помочь, и я думаю, вам стоит достать книгу получше;)

Необратимый процесс | Определение и характеристики

В термодинамике необратимый процесс определяется как процесс, который не может быть обращен вспять, процесс, который не может вернуть как систему, так и окружение в их исходные условия.

Во время необратимого процесса энтропия системы увеличивается на .Есть много факторов, которые делают процесс необратимым:

• Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах или в реальных тепловых процессах мы не можем исключить наличие механического трения или тепловых потерь.
• Конечная разница температур. Процессы не выполняются бесконечно медленно. Например, в газе может быть турбулентность. Следовательно, тепловые двигатели должны иметь более низкий КПД, чем пределы их эффективности из-за неотъемлемой необратимости цикла тепловых двигателей, которые они используют.
• Смешивание двух разных веществ

Эти факторы присутствуют в реальных, необратимых процессах и не позволяют этим процессам быть обратимыми.

Необратимость природных процессов

Согласно второму закону термодинамики:

Энтропия любой изолированной системы никогда не уменьшается. В естественном термодинамическом процессе сумма энтропий взаимодействующих термодинамических систем увеличивается.

Этот закон указывает на необратимость природных процессов .Обратимые процессы — полезная и удобная теоретическая фикция, но в природе не встречается. Из этого закона следует, что невозможно сконструировать устройство, работающее по циклу и единственным действием которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему. Следовательно, вечные двигатели второго типа невозможны.

Сравнение изэнтропических и адиабатических процессов

Изэнтропические процессы являются частным случаем адиабатических процессов. Это обратимый адиабатический процесс. Изэнтропический процесс также можно назвать процессом с постоянной энтропией.

Изоэнтропический процесс — это термодинамический процесс, в котором энтропия жидкости или газа остается постоянной . Это означает, что изоэнтропический процесс — это частный случай адиабатического процесса , в котором нет передачи тепла или вещества. Это обратимый адиабатический процесс . Изэнтропический процесс также можно назвать процессом с постоянной энтропией. В инженерии такой идеализированный процесс очень полезен для сравнения с реальными процессами.

Один из способов приблизить реальные процессы к обратимому процессу — выполнить процесс в серии из маленьких или бесконечно малых шагов или бесконечно медленно , чтобы процесс можно было рассматривать как серию состояний равновесия . Например, теплопередача может считаться обратимой, если она происходит из-за небольшой разницы температур между системой и ее окружением. Но реальные процессы не делаются бесконечно медленно.Обратимые процессы — полезная и удобная теоретическая фикция, но в природе не встречается. Например, в газе может быть турбулентность. Следовательно, тепловые двигатели должны иметь более низкий КПД, чем пределы их КПД, из-за неотъемлемой необратимости цикла теплового двигателя, который они используют.

Ссылки:

Ядерная и реакторная физика:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Эддисон-Уэсли, Ридинг, Массачусетс (1983).
2. Дж.Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Glasstone, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. W.S.C. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
6. Kenneth S. Krane.Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
7. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Аддисон-Уэсли Паб. Co; 1-е издание, 1965 г.
8. Роберт Рид Берн, Введение в эксплуатацию ядерных реакторов, 1988 г.
9. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник Министерства энергетики США по основам, том 1 и 2. Январь 1993 г.

Advanced Reactor Physics:

1. KO Ott, WA Bezella, Introductory Nuclear Reactor Statics, American Nuclear Society, Revised edition (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
4. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

См. Выше:

Термодинамические процессы

Почему все реальные процессы необратимы?

Почему бесплатное расширение необратимо?

Поскольку система изолирована от окружения во время свободного расширения системы, окружение не участвует в этом процессе.

…

Таким образом, существует положительное изменение общей энтропии Вселенной (система + окружение), делающее весь процесс необратимым.

Как определить, является ли процесс обратимым или необратимым?

Процесс: когда переменные состояния меняются во времени. Обратимый процесс: когда каждый шаг для системы и ее окружения может быть отменен. Обратимый процесс включает серию состояний равновесия. Необратимый процесс — когда важно направление стрелки времени.

Почему обратимый процесс невозможен?

После реверсирования он не оставляет никаких изменений ни в системе, ни в окружении. Поскольку для завершения обратимого процесса потребуется бесконечное количество времени, полностью обратимые процессы невозможны.

Что такое обратимый процесс и необратимый процесс?

Обратимый и необратимый процесс. Обратимый процесс — это идеальный процесс, которого никогда не бывает, в то время как необратимый процесс — это естественный процесс, который обычно встречается в природе.… Это необратимый процесс. В то время как вода испаряется, она также может конденсироваться в виде дождя.

Обратим ли адиабатический процесс?

Это идеализированный термодинамический процесс, который является адиабатическим и в котором передача работы системы происходит без трения; нет передачи тепла или вещества, и процесс обратим.

Как вы рассчитываете работу, выполненную в необратимом процессе?

при необратимом изотермическом расширении, формула проделанной работы W = P (внешнее) x изменение объема.… Для процесса необратимого расширения грубое приближение силы, действующей на поршень (где совершается работа), может быть получено уравнением FA = Pext = nRTV − kVdVdt.

Обратим ли изотермический процесс?

Следовательно, это необратимо, о чем говорится в статье первым. Обратимое изотермическое расширение — это бесконечно медленное увеличение объема вещества при постоянной температуре. Для идеального газа внутренняя энергия ΔU (T) = 0, но q ≠ 0 и w 0.

Какой пример необратимого процесса?

Примером необратимого процесса является протекание электрического тока по проводнику с сопротивлением. Примером необратимого процесса является намагничивание или поляризация с гистерезисом. Пример необратимого процесса — неупругая деформация.

Что нужно, чтобы обратить процесс вспять?

Принцип обратного осмоса заключается в пропускании более густого раствора путем приложения осмотического давления через полупроницаемую мембрану к более разбавленному раствору.Таким образом, осмос — это процесс перемещения движущихся частей с низкой концентрацией растворителя (гипотонический) до высокой концентрации растворителя (гипертонический).

Что нужно, чтобы обратить вспять самопроизвольный процесс?

Процесс, спонтанный в одном направлении, не является спонтанным в противоположном направлении. Направление самопроизвольного процесса может зависеть от температуры. … Чтобы произошел обратный процесс, необходимо снизить температуру воды до 0 ° C. Химические системы в равновесии обратимы.

Все ли необратимые процессы являются спонтанными?

1 Ответ. Эрнест З. Спонтанные процессы необратимы, потому что их можно обратить вспять, только выбрав другой путь, чтобы вернуться в исходное состояние. Обратимый процесс может пройти по тому же пути, чтобы вернуться в исходное состояние.

Каковы примеры обратимых и необратимых процессов в реальном мире?

6. 8. 3 Примеры обратимых и необратимых процессов. Движение без трения.Ограниченное сжатие или расширение. Передача энергии в виде тепла из-за бесконечно малой неоднородности температуры. Электрический ток проходит через нулевое сопротивление. Сдержанная химическая реакция. Другие элементы…

Какие процессы обратимы?

Примеры обратимых процессов растяжения пружин. Медленное адиабатическое сжатие или расширение газов. Электролиз (без сопротивления в электролите) движение твердых тел без трения. Медленное изотермическое сжатие или расширение газов.

Возможны ли обратимые процессы?

Обратимый процесс — это бесконечно медленный процесс! Очевидно, что реальный процесс не является обратимым, но вы можете приблизиться к обратимому процессу, выполняя его как можно медленнее. Например, вы можете думать о реакции, находящейся в равновесии, как о бесконечно медленной (ничего не происходит!).

Какие обратимые изменения приведите на двух примерах?

Примеры обратимых реакций включают растворение, испарение, плавление и замораживание.

Почему все природные процессы необратимы?

Процесс называется необратимым, если после завершения процесса в прямом и обратном порядке система не может вернуться в исходное состояние. Общеизвестно, что все естественные спонтанные процессы необратимы, и никаких естественных обратимых процессов не существует.

Что делает процесс необратимым?

Необратимый процесс — это процесс, который не может вернуть как систему, так и окружение в их исходное состояние.… Четыре из наиболее распространенных причин необратимости — трение, неограниченное расширение жидкости, теплопередача за счет конечной разницы температур и смешение двух разных веществ.

Что означает необратимый?

не подлежит отмене или отмене; безвозвратный. химическая физика способна изменить или произвести изменение только в одном направлении необратимой реакции. термодинамика (изменения, процесса и т. д.), происходящая через ряд промежуточных состояний, не все из которых находятся в термодинамическом равновесии.

В чем разница между обратимым и необратимым изменением?

Все изменения в мире бывают одного из двух типов — обратимые изменения и необратимые изменения.