Nepovratnost termičkih procesa. Drugi zakon termodinamike. Koncept entropije

Prvi zakon termodinamike - zakon održanja energije za termičke procese - uspostavlja odnos između količine toplote Q dobijeni od strane sistema, promenom ΔU njena unutrašnja energija i rad A, savršeno nad vanjskim tijelima: Q = ∆U + A.

Toplotni motori koji rade ciklično, zabranjeni prvim zakonom termodinamike: 1 - vječni motor 1. vrste, koji obavlja rad bez trošenja energije izvana; 2 - toplotni motor sa efikasnošću η > 1

Prvi zakon termodinamike ne utvrđuje smjer toplinskih procesa. Međutim, kako iskustvo pokazuje, mnogi termalni procesi mogu se odvijati samo u jednom smjeru. Takvi procesi se nazivaju ireverzibilnim. Na primjer, u termičkom kontaktu dva tijela sa različite temperature toplotni tok je uvijek usmjeren od toplijeg tijela ka hladnijem. Spontani proces prenosa toplote sa tela sa niskom temperaturom na telo sa višom temperaturom se nikada ne primećuje. visoke temperature. Stoga je proces prijenosa topline pri konačnoj temperaturnoj razlici nepovratan.

Reverzibilni procesi su procesi prelaska sistema iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, koji se mogu izvesti u obrnuti smjer kroz isti niz posrednih ravnotežnih stanja. U tom slučaju se sam sistem i okolna tijela vraćaju u prvobitno stanje.

Zovu se procesi u kojima je sistem cijelo vrijeme u stanju ravnoteže kvazistatički. Svi kvazistatički procesi su reverzibilni. Svi reverzibilni procesi su kvazistatični.

Ako se radno tijelo toplotnog motora dovede u kontakt s termičkim rezervoarom čija temperatura ostaje nepromijenjena tokom procesa izmjene topline, tada će jedini reverzibilni proces biti izotermni kvazistatički proces koji se javlja pri beskonačno maloj temperaturnoj razlici između radni fluid i rezervoar. U prisustvu dva termalna rezervoara sa različitim temperaturama, moguće je izvođenje procesa u dva izotermna odseka na reverzibilan način. Budući da se adijabatski proces može izvoditi i u oba smjera (adijabatsko kompresija i adijabatsko širenje), kružni proces koji se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate (Carnotov ciklus) je jedini reverzibilni kružni proces u kojem se radni fluid dovodi u termički kontakt. sa samo dva termalna rezervoara. Svi ostali kružni procesi koji se izvode sa dva termalna rezervoara su nepovratni.

Transformacijski procesi mehanički rad u unutrašnju energiju tela su ireverzibilni zbog prisustva trenja, procesa difuzije u gasovima i tečnostima, procesa mešanja gasova u prisustvu početne razlike pritisaka itd. Svi stvarni procesi su ireverzibilni, ali mogu proizvoljno pristupiti reverzibilnim procesima. zatvori. Reverzibilni procesi su idealizacije stvarnih procesa.

Prvi zakon termodinamike ne može razlikovati reverzibilne od ireverzibilnih procesa. Jednostavno zahtijeva određenu energetsku ravnotežu iz termodinamičkog procesa i ne govori ništa o tome da li je takav proces moguć ili ne. Pravac spontano nastalih procesa uspostavlja drugi zakon termodinamike. Može se formulisati kao zabrana na određene vrste termodinamičkih procesa.

Engleski fizičar W. Kelvin dao je sljedeću formulaciju drugog zakona 1851. godine:

U toplotnom stroju koji radi ciklično, proces je nemoguć, čiji bi jedini rezultat bio pretvaranje u mehanički rad cjelokupne količine topline primljene iz jednog toplinskog rezervoara.

Hipotetički toplotni motor u kojem bi se takav proces mogao odvijati naziva se perpetum motorom druge vrste. U zemaljskim uslovima, takva mašina bi mogla uzeti toplotnu energiju, na primer, iz okeana i potpuno je pretvoriti u rad. Masa vode u okeanima je približno 10 21 kg, a kada se ohladi za jedan stepen, oslobodila bi se ogromna količina energije ( ≈ 10 24 J), ekvivalentno potpunom sagorevanju 10 17 kg ugalj. Energija koja se godišnje proizvede na Zemlji je približno 10 4 puta manje. Stoga, perpetualni motor druge vrste ne bi bio ništa manje privlačan za čovječanstvo od vječnog motora prve vrste, zabranjen prvim zakonom termodinamike.

Njemački fizičar R. Clausius dao je drugačiju formulaciju drugog zakona termodinamike:

Ne postoji proces čiji bi jedini rezultat bio prijenos energije prijenosom topline sa tijela niske temperature na tijelo sa višom temperaturom.

Na sl. 3.12.2 prikazuje procese koji su zabranjeni drugim zakonom, ali nisu zabranjeni prvim zakonom termodinamike. Ovi procesi odgovaraju dvije formulacije drugog zakona termodinamike.

Procesi koji nisu u suprotnosti s prvim zakonom termodinamike, ali su zabranjeni drugim zakonom: 1 - vječni motor druge vrste; 2 - spontani prenos toplote sa hladnog tela na toplije (idealan frižider)

Treba napomenuti da su obje formulacije drugog zakona termodinamike su ekvivalentni. Ako pretpostavimo, na primjer, da se toplina može spontano (tj. bez utroška vanjskog rada) prenijeti tokom izmjene topline sa hladnog tijela na toplo, onda možemo zaključiti da je moguće stvoriti vječni motor druga vrsta. Zaista, neka pravi toplinski motor dobije od grijača količinu topline Q1 i daje frižideru količinu toplote Q2. Istovremeno, posao je obavljen A = Q 1 - |Q 2 |. Ako količina toplote |Q 2 | spontano prešao iz frižidera u grejač, zatim krajnji rezultat rada pravog toplotnog motora i idealne rashladne mašine bilo bi pretvaranje količine toplote u rad Q 1 – |Q 2 | dobijene iz grijača bez ikakvih promjena u hladnjaku. Dakle, kombinacija pravog toplotnog motora i idealnog rashladnog motora je ekvivalentna perpetual motoru druge vrste. Slično, može se pokazati da je kombinacija prave rashladne mašine i perpetualnog motora druge vrste ekvivalentna idealnoj rashladnoj mašini.

Drugi zakon termodinamike je direktno povezan sa nepovratnošću stvarnih toplotnih procesa. Energija toplotnog kretanja molekula kvalitativno se razlikuje od svih drugih vrsta energije - mehaničke, električne, hemijske itd. Energija bilo koje vrste, osim energije toplotnog kretanja molekula, može u potpunosti da se pretvori u bilo koju drugu vrstu energije. energije, uključujući energiju toplotnog kretanja. Potonji mogu doživjeti samo transformaciju u bilo koju drugu vrstu energije djelomično. Stoga, bilo koji fizički proces, u kojem se bilo koja vrsta energije pretvara u energiju toplinskog kretanja molekula, nepovratan je proces, odnosno ne može se odvijati potpuno u suprotnom smjeru.

zajedničko vlasništvo od svih ireverzibilnih procesa je to što se dešavaju u termodinamički neravnotežnom sistemu i kao rezultat ovih procesa zatvoreni sistem se približava stanju termodinamička ravnoteža .

Na osnovu bilo koje od formulacija drugog zakona termodinamike, mogu se dokazati sljedeće tvrdnje, koje se nazivaju Carnotove teoreme:

Efikasnost toplotnog motora koji radi na datim temperaturama grijača i hladnjaka ne može biti veća od efikasnosti mašine koja radi po reverzibilnom Carnotovom ciklusu na istim temperaturama grijača i hladnjaka.

Efikasnost toplotnog motora koji radi po Carnot ciklusu ne zavisi od vrste radnog fluida, već samo od temperature grejača i frižidera.

Dakle, efikasnost mašine koja radi po Carnot ciklusu je maksimalna. η = 1 - Q 2 Q 1 ≤ η max = η Carnot = 1 - T 2 T 1 .

Znak jednakosti u ovom odnosu odgovara reverzibilnim ciklusima. Za mašine koje rade na Carnot ciklusu, ova relacija se može prepisati kao

| Q 2 | Q 1 = T 2 T 1 ili | Q 2 | T 2 \u003d Q 1 T 1.

U kojem god smjeru ide Carnotov ciklus (kazaljke na satu ili suprotno od kazaljke na satu) količina Q1 I Q2 uvek imam različiti znakovi. Stoga možemo napisati Q 1 T 1 + Q 2 T 2 = 0.

Ovaj odnos se može generalizirati na bilo koji zatvoreni reverzibilni proces, koji se može predstaviti kao niz malih izotermnih i adijabatskih presjeka (slika 3.12.3).

Proizvoljni reverzibilni ciklus kao niz malih izotermnih i adijabatskih presjeka

Sa potpunim bypassom zatvorenog reverzibilnog ciklusa

∑ Δ Q i T i = 0 (reverzibilni ciklus),

Gdje ∆Q i = ∆Q 1i + ∆Q 2i- količina toplote koju prima radni fluid u dva izotermna preseka na temperaturi T i. Da bi se ovako složen ciklus izveo na reverzibilan način, potrebno je radni fluid dovesti u termički kontakt sa mnogim termalnim rezervoarima sa temperaturama T i. Stav ∆Q i / T i pozvao smanjena toplota. Rezultirajuća formula to pokazuje ukupna smanjena toplota u bilo kom reverzibilnom ciklusu je nula. Ova formula vam omogućava da unesete novu fizička količina, koji se zove entropija i označena je slovom S(R. Clausius, 1865). Ako termodinamički sistem prijeđe iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, onda se njegova entropija mijenja. Razlika između vrijednosti entropije u dva stanja jednaka je smanjenoj toplini koju primi sistem tokom reverzibilnog prijelaza iz jednog stanja u drugo.Δ S = S 2 - S 1 = ∑ (1) (2) Δ Q i arr T .

U slučaju reverzibilnog adijabatskog procesa ∆Q i = 0 a time i entropija S ostaje nepromijenjena.

Izraz za promjenu entropije ∆S tokom prelaska neizolovanog sistema iz jednog ravnotežnog stanja (1) u drugo ravnotežno stanje (2) može se zapisati kao Δ S = ∫ (1) (2) d Q arr T .

Entropija je definirana do konstantnog člana, kao što je npr. potencijalna energija tela u polju sile. fizičko značenje ima razliku ∆S entropija u dva stanja sistema. Odrediti promjenu entropije u slučaju nepovratna tranzicija sistema iz jednog stanja u drugo, morate smisliti neke reverzibilan proces koji povezuje početno i završno stanje, i pronaći redukovanu toplotu koju sistem primi tokom takvog prelaza.

Entropija i fazni prijelazi

Rice. 3.12.4 ilustruje ireverzibilni proces ekspanzije gasa "u prazninu" u odsustvu razmene toplote. Samo početno i konačno stanje gasa u ovom procesu su u ravnoteži i mogu se prikazati na dijagramu ( p, V). Poeni ( a) I ( b) koja odgovaraju ovim stanjima leže na istoj izotermi. Za izračunavanje promjene ∆S entropije, možemo razmotriti reverzibilni izotermni prijelaz iz ( a) u ( b). Pošto tokom izotermnog širenja gas prima određenu količinu toplote od okolnih tela Q > 0, možemo zaključiti da se s nepovratnim širenjem plina entropija povećava: ∆S > 0.

Ekspanzija gasa u prazninu. Promjena entropije Δ S = Q T = A T > 0, gdje je A = Q je rad plina pod reverzibilnim izotermnim širenjem

Drugi primjer ireverzibilnog procesa je prijenos topline na konačnoj temperaturnoj razlici. Na sl. 3.12.5 prikazuje dva tijela zatvorena u adijabatskoj ljusci. Početne telesne temperature T1 I T2< T 1 . Tokom prenosa toplote, temperature tela se postepeno izjednačavaju. Toplije tijelo daje neku toplinu, a hladnije je prima. Smanjena toplota koju prima hladno telo premašuje po modulu redukovanu toplotu koju daje toplo telo. Otuda slijedi da je promjena entropije zatvorenog sistema u ireverzibilnom procesu prijenosa topline ∆S > 0.

Prijenos topline pri konačnoj temperaturnoj razlici: a– početno stanje; b je konačno stanje sistema. promena entropije ∆S > 0

Rast entropije je zajedničko svojstvo svih spontanih ireverzibilnih procesa u izolovanim termodinamičkim sistemima. U reverzibilnim procesima u izolovanim sistemima, entropija se ne menja: ∆S ≥ 0.

Ova relacija se zove zakon rastuće entropije.

U bilo kom procesu koji se odvija u termodinamički izolovanim sistemima, entropija ili ostaje nepromenjena ili se povećava.

Dakle, entropija ukazuje na smjer spontanih procesa. Povećanje entropije ukazuje da se sistem približava stanju termodinamičke ravnoteže. U stanju ravnoteže, entropija traje maksimalna vrijednost. Zakon povećanja entropije može se uzeti kao još jedna formulacija drugog zakona termodinamike.

1878. L. Boltzmann je dao vjerovatnoća tumačenje koncepta entropije. Predložio je da se entropija smatra mjera statističkog poremećaja u zatvorenom termodinamički sistem. Svi spontani procesi u zatvorenom sistemu, koji sistem približavaju stanju ravnoteže i praćeni povećanjem entropije, usmereni su ka povećanju verovatnoće stanja.

Bilo koje stanje makroskopskog sistema koje sadrži veliki brojčestice, može se implementirati na mnogo načina. Termodinamička vjerovatnoća W stanja sistema su broj načina, kojim se dato stanje makroskopskog sistema može realizovati, ili broj mikrostanja koji implementiraju dato makrostanje. Po definiciji, termodinamička vjerovatnoća W >> 1.

Na primjer, ako posuda sadrži 1 mol gasa, tada možda ogroman broj N načini postavljanja molekula u dvije polovine posude: N = 2 N A , gdje je N A Avogadrov broj. Svaka od njih je mikrodržava. Samo jedno od mikrostanja odgovara slučaju kada su svi molekuli sakupljeni u jednoj polovini (na primjer, desnoj) posude. Verovatnoća takvog događaja je praktično nula. Najveći broj mikrostanja odgovara ravnotežnom stanju, u kojem su molekuli ravnomjerno raspoređeni po volumenu. Zbog toga ravnotežno stanje je najvjerovatnije. S druge strane, stanje ravnoteže je stanje najvećeg poremećaja u termodinamičkom sistemu i stanje sa maksimalnom entropijom.

Prema Boltzmannu, entropija S sistema i termodinamičke vjerovatnoće W su međusobno povezani na sljedeći način: S = k log W, gdje k = 1,38 10 -23 J/K je Boltzmannova konstanta. Dakle, entropija je određena logaritmom broja mikrostanja sa kojima se dato makrostanje može realizovati. Stoga se entropija može smatrati mjerom vjerovatnoće stanja termodinamičkog sistema.

Vjerovatnosna interpretacija drugog zakona termodinamike dozvoljava spontano odstupanje sistema od stanja termodinamičke ravnoteže. Takva odstupanja se nazivaju fluktuacije. U sistemima koji sadrže veliki broj čestica, značajna odstupanja od ravnotežnog stanja su izuzetno mala.

Sve mehaničke pojave bez trenja
razlikuju po sljedećem izuzetnom svojstvu.
Kako god mehaničko kretanje tijelo,
obrnuto kretanje je uvijek moguće, pri čemu
telo prolazi kroz iste tačke u prostoru sa onima
iste brzine kao kod direktnog kretanja, ali
samo u suprotnom smeru. Ovo reverzibilnost
mehaničke pojave mogu biti drugačije

formulisati kao njihovu simetriju u odnosu na zamenu budućnosti prošlošću, odnosno u odnosu na promenu predznaka vremena. Ova simetrija proizilazi iz samih jednačina kretanja.

Sasvim drugačija situacija se dešava u oblasti toplotnih pojava. Ako dođe do bilo kakvog termičkog procesa, onda se obrnut proces, tj. proces u kome se prelaze ista stanja, ali samo obrnutim redosledom, po pravilu je nemoguć. Drugim riječima, termički procesi su, općenito govoreći, procesi nepovratan.

Kao primjere tipično ireverzibilnih procesa može se navesti prijenos energije pri kontaktu dva tijela s različitim temperaturama, ili proces širenja plina u vakuum. Obrnuti procesi se nikada ne dešavaju.

Općenito, svaki sistem tijela prepušten sam sebi teži da prijeđe u stanje termičke ravnoteže, u kojem tijela miruju jedno u odnosu na drugo, a imaju iste temperature i pritiske. Postigavši ovo

stanje, sam sistem ga ne napušta. Drugim riječima, sve toplinske pojave praćene procesima približavanja termalnoj ravnoteži su nepovratne.

Primjer procesa u visok stepen
reverzibilna je adijabatska ekspanzija
ili kompresiju gasa ako su ispunjeni uslovi
adijabatičnost. Izotermni proces takođe
je reverzibilan ako se provodi
dovoljno sporo. "Sporost" je
generalno karakteristična karakteristika reverzibilnog
procesi: proces bi trebao biti takav
sporo, tako da tela koja u tome učestvuju, takoreći
uspio u svakom trenutku biti u
stanje ravnoteže koje odgovara

trenutni spoljni uslovi. Takvi procesi se nazivaju kvazistatički.

Već smo spomenuli da u sistemu tijela u toplotnoj ravnoteži nijedan proces ne može nastati bez vanjske intervencije. Ova okolnost ima još jedan aspekt: tijela u toplinskoj ravnoteži ne mogu proizvesti nikakav rad.

Ova izuzetno važna tvrdnja o nemogućnosti dobijanja rada usled energije tela u toplotnoj ravnoteži naziva se drugi zakon termodinamike. Stalno smo okruženi značajnim rezervama toplotne energije (na primjer, svjetski okeani). Motor sa samo napajanjem okruženje, bio bi praktično "perpetum motor". Drugi zakon termodinamike isključuje mogućnost konstruisanja, kako kažu, vječni motor druge vrste, kao što prvi zakon termodinamike (zakon održanja energije) isključuje mogućnost konstruisanja perpetualni motor prve vrste, koja bi radila "iz ničega", bez vanjskog izvora energije.

3. Pretvaranje toplote u mehanički rad

Pređimo sada na problem koji je, zapravo, služio u svoje vrijeme ( početkom XIX vek) uzrok nastanka termodinamike kao nauke - problem pretvaranja toplote u mehanički rad, ili, problem toplotnog motora. Izum metoda za dobijanje mehaničkog rada usled toplote bio je početak nove ere u istoriji civilizacije.

Činjenica je da se mehanički rad uvijek može u potpunosti pretvoriti u toplinsku energiju (zbog, na primjer, trenja), ali je potpuna konverzija toplinske energije u mehaničku energiju, kako se pokazalo, nemoguća.

Bilo koja toplotna mašina koja pretvara toplotu u rad (parne mašine, motori sa unutrašnjim sagorevanjem itd.) radi ciklički, odnosno u njoj se periodično ponavljaju procesi prenosa toplote i njenog pretvaranja u rad.

Da biste to učinili, potrebno je da tijelo koje obavlja posao (radno tijelo), nakon zagrijavanja

rad, vraćen u prvobitno stanje kako bi ponovo pokrenuo isti proces.

Ali znamo da da bi ukupni rad tijela za ciklus A bio pozitivan, ono se mora vratiti u prvobitno stanje do P-V dijagram duž donje krivine (vidi sliku 12.2). Međutim, donja kriva na

P-V dijagram odgovara nižoj temperaturi, tako da se radni fluid mora ohladiti prije kompresije.

Stoga je za ciklični rad toplotnog motora potrebno imati još jedno, treće, tijelo koje se zove frižider i nalazi se na temperaturi T 2 manjoj od temperature grijača, što je u skladu s drugim zakonom termodinamike. Iz drugog zakona termodinamike proizilazi da se rad može obaviti samo zbog tijela koja nisu u toplotnoj ravnoteži (grijač i hladnjak). Frižider uzima malo topline |Q 2 | (toplota Q 2

negativan, jer tijelo odaje toplinu) i hladi je. U pravim toplotnim mašinama, okolina služi kao frižider.

Ukupan mehanički rad koji radni fluid obavlja u jednom ciklusu

i jednaka je, kao što znamo, površini ciklusne petlje na P-V dijagramu (slika 12.2).

Efikasnost(efikasnost) toplotnog motora n naziva se omjer

Ulaznica 23. 1. Nepovratnost termičkih procesa; drugi zakon termodinamike i njegovo statističko tumačenje

1. Nepovratnost termičkih procesa; drugi zakon termodinamike i njegovo statističko tumačenje.

Prvi zakon termodinamike - zakon održanja energije za termičke procese - uspostavlja vezu između količinu toplote Q dobijen od strane sistema promjenom njegovog ΔU unutrašnja energija I rad A, savršeno nad vanjskim tijelima:

Q = ∆U + A.

Prema ovom zakonu, energija se ne može stvarati niti uništavati; prenosi se iz jednog sistema u drugi i transformiše iz jednog oblika u drugi. Procesi koji krše prvi zakon termodinamike nikada nisu uočeni. Prvi zakon termodinamike ne utvrđuje smjer toplinskih procesa. Međutim, kako iskustvo pokazuje, mnogi termalni procesi mogu se odvijati samo u jednom smjeru. Takvi procesi se nazivaju nepovratan. Na primjer, pri termičkom kontaktu dva tijela sa različitim temperaturama, tok topline je uvijek usmjeren od toplijeg tijela ka hladnijem. Spontani proces prenosa toplote sa tela sa niskom temperaturom na telo sa višom temperaturom se nikada ne primećuje. Stoga je proces prijenosa topline pri konačnoj temperaturnoj razlici nepovratan. reverzibilan procesi su procesi prelaska sistema iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, koji se mogu odvijati u suprotnom smeru kroz isti niz međuravnotežnih stanja. U tom slučaju se sam sistem i okolna tijela vraćaju u prvobitno stanje. Zovu se procesi u kojima je sistem cijelo vrijeme u stanju ravnoteže kvazistatički. Svi kvazistatički procesi su reverzibilni. Svi ostali kružni procesi koji se izvode sa dva termalna rezervoara su nepovratni. Nepovratni su procesi transformacije mehaničkog rada u unutrašnju energiju tela usled prisustva trenja, procesi difuzije u gasovima i tečnostima, procesi mešanja gasova u prisustvu početne razlike pritisaka itd. Svi stvarni procesi su ireverzibilni, ali mogu pristupiti reverzibilnim proizvoljno bliskim procesima. Reverzibilni procesi su idealizacije stvarnih procesa. Prvi zakon termodinamike ne može razlikovati reverzibilne od ireverzibilnih procesa. Jednostavno zahtijeva određenu energetsku ravnotežu iz termodinamičkog procesa i ne govori ništa o tome da li je takav proces moguć ili ne. Pravac spontano nastalih procesa uspostavlja drugi zakon termodinamike. Njemački fizičar R. Clausius formulirao je drugi zakon termodinamike: Nemoguć je proces čiji bi jedini rezultat bio prijenos energije prijenosom topline sa tijela niske temperature na tijelo sa višom temperaturom. Drugi zakon termodinamike je direktno povezan sa nepovratnošću stvarnih toplotnih procesa. Energija toplotnog kretanja molekula kvalitativno se razlikuje od svih drugih vrsta energije - mehaničke, električne, hemijske itd. Energija bilo koje vrste, osim energije toplotnog kretanja molekula, može u potpunosti da se pretvori u bilo koju drugu vrstu energije. energije, uključujući energiju toplotnog kretanja. Potonji mogu doživjeti transformaciju u bilo koju drugu vrstu energije samo djelomično. Stoga je svaki fizički proces u kojem se bilo koja vrsta energije pretvara u energiju toplinskog kretanja molekula nepovratan proces, odnosno ne može se odvijati potpuno u suprotnom smjeru. Zajedničko svojstvo svih ireverzibilnih procesa je da se dešavaju u termodinamički neravnotežnom sistemu i kao rezultat ovih procesa zatvoreni sistem se približava stanju termodinamičke ravnoteže. Na osnovu drugog zakona termodinamike mogu se dokazati sljedeće tvrdnje koje se nazivaju Carnotove teoreme:

Efikasnost toplotnog motora koji radi na datim temperaturama grijača i hladnjaka ne može biti veća od efikasnosti mašine koja radi po reverzibilnom Carnotovom ciklusu na istim temperaturama grijača i hladnjaka.
Efikasnost toplotnog motora koji radi po Carnot ciklusu ne zavisi od vrste radnog fluida, već samo od temperature grejača i frižidera.

2 . Nuklearne reakcije: zakoni očuvanja u nuklearnim reakcijama; lančane nuklearne reakcije; Nuklearna energija; termonuklearne reakcije.

Nuklearne reakcije

Tokom interakcija, atomska jezgra prolaze kroz transformacije koje su praćene povećanjem ili smanjenjem kinetičke energije čestica koje sudjeluju u njima.

Nuklearne reakcije nastaju kada se čestice približe jezgru i padnu u sferu djelovanja nuklearne snage. Jednako naelektrisane čestice se odbijaju. Stoga je približavanje pozitivno nabijenih čestica jezgrima (ili jezgrama jedna drugoj) moguće ako se tim česticama (ili jezgrama) da velika kinetička energija (na primjer, protoni, jezgra deuterijuma - deuteroni, a-čestice i druge jezgre koje koriste akceleratori elementarnih čestica jona) .

Prva nuklearna reakcija na brze protone izvedena je 1932. godine. Bilo je moguće podijeliti litij na a-čestice:

Energetski prinos nuklearnih reakcija., gdje su t p, t p, s konstantne vrijednosti

U ovoj reakciji, specifična energija vezivanja u jezgri helijuma veća je od specifične energije vezivanja u jezgri litija. Stoga se dio unutrašnje energije jezgra litijuma pretvara u kinetičku energiju letećih a-čestica.

Promjena energije vezivanja jezgara znači da ukupna energija mirovanja čestica i jezgara uključenih u reakcije ne ostaje nepromijenjena. Uostalom, energija mirovanja jezgra M I, prema formuli, direktno se izražava kroz energiju vezivanja. U skladu sa zakonom održanja energije, promjena kinetičke energije u procesu raspada jednaka je promjeni energije mirovanja jezgara i čestica uključenih u reakciju.

Energetski prinos nuklearne reakcije je razlika između energija mirovanja jezgara i čestica prije i poslije reakcije. Prema onome što je ranije rečeno, energetski prinos nuklearne reakcije jednak je i promjeni kinetičke energije čestica koje učestvuju u reakciji.

Nuklearne reakcije na neutrone.

Otkriće neutrona bilo je prekretnica u proučavanju nuklearnih reakcija. Pošto su neutroni lišeni naboja, oni slobodno prodiru u atomska jezgra i uzrokuju njihove promjene.

Na primjer, primjećuje se sljedeća reakcija:

Enrico Fermi je prvi proučavao reakcije uzrokovane neutronima. Otkrio je da nuklearne transformacije nisu uzrokovane samo brzim neutronima, već i neutronima.

Reakcije u koje ulaze atomska jezgra su vrlo raznolike. Neutrone ne odbijaju jezgra i stoga su posebno efikasni u izazivanju sporih transformacija jezgara.

termonuklearne reakcije promjena poziva atomska jezgra kada su u interakciji sa elementarnim česticama ili jedni s drugima.

3. Eksperimentalni zadatak: „Mjerenje ubrzanja slobodan pad koristeći matematičko klatno.

Tema lekcije: Nepovratnost procesa u prirodi. Koncept drugog zakona termodinamike.

Svrha lekcije:

1) Pokažite nepovratnost procesa u prirodi, formirajte ideju o drugom zakonu termodinamike;

2) Razviti ideju o integralnoj strukturi okolnog svijeta;

3) Razvijati sposobnost samostalnog rada.

Tokom nastave:

Ažuriranje osnovnih znanja učenika:

Test zadaci za ponavljanje (frontalna anketa)

1. Unutrašnja energija idealnog gasa zavisi od:

A) o masi gasa i pritisku. B) na pritisak gasa C) na masu gasa. D) na zapreminu gasa. E) o temperaturi gasa.

2. Formula za izračunavanje unutrašnje energije idealnog jednoatomnog gasa

ALI). IN) OD)
. D)
. e) .

3. Kada dođe do izotermnog procesa, vrijednost jednaka nuli je

AA'. B) A. C) ΔU. D) Q. E) PV.

4. Pri konstantnom pritisku 10 5 Pa gas je uradio 10 posla 4 J. Zapremina gasa u isto vreme

A) povećan za 1 m 3 . B) povećan za 10 m 3 . C) povećan za 0,1 m 3 . D) smanjen za 0,1 m 3 .

E) smanjen za 10 m 3 .

5. Kada dođe do izohornog procesa, vrijednost jednaka nuli je

A) ΔU. B) PV. C) A. D) P. E) U.

6. Konstantan pritisakR zapremina gasa povećana za ΔV . Vrijednost jednaka proizvoduR ·Δ V u ovom slučaju se zove:

A) rad koji na gas obavljaju vanjske sile. C) unutrašnja energija gasa.

C) količinu toplote koju primi gas. D) rad koji obavlja gas. E) količina toplote koju daje gas.

7. Rad pri adijabatskom širenju idealnog gasa obavlja se zbog

A) smanjenje unutrašnje energije gasa. C) količina primljene toplote.

C) promene pritiska. D) data količina toplote. E) povećanje unutrašnje energije gasa.

8. Kada dođe do adijabatskog procesa, vrijednost jednaka nuli je

A) A". B) Q. C) A. D) U. E) ΔU.

9. Tokom izotermnog širenja, 10 J toplote je preneseno idealnom gasu. Rad koji obavlja gas je

A) 2,5 J. B) 10 J. C) 7,5 J. D) -10 J. E) 5 J.

10. Prilikom prenošenja količine toplote na gas 2 10 4 J je radio jednak 5 10 4 J. Zatim promjena unutrašnje energije

A) 5 10 4 J. V)- 3 10 4 J.S) 7 10 4 J. D) -2 10 4 J. E) 3 10 4 J.

11. Ako je promjena unutrašnje energije bila 20 kJ, a rad koji je izvršio plin protiv vanjskih sila iznosi 12 kJ, tada je količina topline prenijeta na plin

A) 20 kJ. C) 10 kJ. C) 6 kJ. D) 12 kJ. E) 32 kJ.

12. U izotermnom procesu, količina toplote koja se prenosi na gas je 2 10 8 J. Promjena unutrašnje energije gasa je

A) 6 10 8 J. V) 10 8 J. C) 0. D) 4 10 8 J. E) 2 10 8 J.

13. Formula prvog zakona termodinamike za izotermni proces (A je rad plina, A´ rad vanjskih sila)

A) Q \u003d A. B) ΔU \u003d Q. C) ΔU \u003d A "+ Q. D) ΔU \u003d A + A". E) ΔU = A´.

14. Proces u kojem gas ne radi

A) izobarski. B) izotermni. C) adijabatski. D) izohorni. E) ključanje.

15. Prvi zakon termodinamike otkriven je na osnovu

A) Drugi Newtonov zakon. C) Prvi Newtonov zakon. C) zakon održanja energije.

D) zakon održanja impulsa. E) zakon međusobnog odnosa mase i energije.

Odgovori: 1.E 2A 3C 4C 5 C 6D 7A 8V 9V 10V 11E 12C 13A 14d 15s

II . Učenje novog gradiva

Mnogo prije otkrića zakona održanja energije, Francuska akademija nauka odlučila je 1775. godine da ne razmatra nacrte za trajne motore prve vrste. Slične odluke kasnije su donijele i vodeće naučne institucije u drugim zemljama.

Pod perpetualnim motorom prve vrste podrazumijeva se uređaj koji može obavljati neograničen broj radova bez trošenja goriva ili drugih materijala, odnosno bez potrošnje energije. Stvoreno je mnogo takvih projekata. Ali svi oni nisu djelovali vječno, to je dovelo do mišljenja da ovdje nije stvar u nesavršenosti pojedinačnih struktura, već u općem obrascu.

Prema I zakonu termodinamike, ako je Q = 0, tada se rad može obaviti zbog gubitka unutrašnje energije. Ako je rezerva energije iscrpljena, motor prestaje raditi. Ako je sistem izolovan i nikakav rad nije obavljen, unutrašnja energija ostaje nepromenjena.

Zakon održanja energije kaže da unutrašnja energija u bilo kojoj svojoj transformaciji ostaje nepromijenjena, ali ništa ne govori o tome kakve su transformacije moguće. U međuvremenu, mnogi procesi koji su sasvim prihvatljivi sa stanovišta zakona očuvanja zapravo se ne dešavaju.

Toplije tijelo se hladi samo od sebe, prenoseći svoju energiju na hladnija tijela. Obrnuti proces prelaska sa hladnijeg tela na toplije nije u suprotnosti sa zakonom održanja, ali se ne dešava. Takvih primjera ima mnogo. Ovo sugerira da procesi u prirodi imaju određeni smjer, a ne kao što se odražava u prvom zakonu termodinamike. Svi procesi u prirodi su nepovratni (starenje organizama).

Drugi zakon termodinamike ukazuje na smjer mogućih energetskih transformacija i time izražava nepovratnost procesa u prirodi. Ustanovljeno je sumiranjem iskustva.

Njemački naučnik R. Clausius to je formulirao na sljedeći način:

Nemoguće je prenijeti toplinu sa hladnijeg sistema na topliji osim ako ne dođe do istovremenih promjena u oba sistema ili okolnim tijelima.

Engleski naučnik W. Kelvin formulisao je kako slijedi:

Nemoguće je periodično provoditi takav proces, čiji bi jedini rezultat bio prijem posla zbog topline uzete iz jednog izvora.

Drugim rečima, nijedan toplotni motor ne može imati efikasnost jednaku jedinici.

Kelvinova formulacija drugog zakona dozvoljava da se ovaj zakon izrazi kao izjava. Nemoguće je izgraditi vječni motor druge vrste, odnosno napraviti motor koji radi tako što hladi bilo koje tijelo.

Perpetualni motor druge vrste ne krši zakon održanja energije, ali da je to moguće, dobili bismo gotovo neograničen izvor rada, hvatajući ga iz okeana i hladeći ih. Međutim, hlađenje okeana, čim njegova temperatura padne ispod temperature okoline, značilo bi prijenos topline sa hladnijeg na toplije tijelo, a takav proces se ne može odvijati.

Drugi zakon termodinamike ukazuje na smjer procesa u prirodi.

III . Rješavanje problema:

1 zadatak . Pronađite promjenu unutrašnje energije vruća voda kapacitet 2 m3 at temperatura 90 0 C kada se ohladi na sobnu temperaturu (24 0 OD). C=4,19 kJ/kg*K, ρ=1000kg/m 3

∆U= Q, Q= c· m· ( t 2 - t 1 ), m= ρ· V

2 zadatak. Pronađite promjenu unutrašnje energije vode kada se zagrije u kuhalu do ključanja.

∆U \u003d A, A \u003d P t P \u003d 1,01 * 10 5 Pa t=100 0 OD

3 zadatak Gas je u posudi pod pritiskom 2,5 10 4 Pa. Prilikom obavještavanja o količini toplote 6 10 4 J se izobarično širi za 2m 3 . Koliko se promijenila unutrašnja energija? Kako se promijenila njegova temperatura?

(Odgovor: ∆U= ∆U– A = Q- p ∆V= 10 4 J; ∆T> 0, jer ∆U > 0)

IV .Pojačanje (kartice sa testom za 2 opcije):

Test

1 opcija

Koji odnos vrijedi za izobarni proces u plinu?

A) ∆U= A B) ∆U= - A C) ∆U= p A D) A = p ∆V

2. Kako se mijenja unutrašnja energija gasa tokom njegovog izotermnog širenja?

A) raste. B) se smanjuje. C) Promjena unutrašnje energije je nula. D) Promjena unutrašnje energije može imati bilo koju vrijednost.

3. U kom termičkom procesu dolazi do promjene stanja sistema bez prijenosa topline?

A) izobarski. B) izohorni. B) izotermni. D) adijabatski.

4. U procesu adijabatskog širenja, gas obavlja rad jednak 3 10 10 J. Kolika je promjena unutrašnje energije gasa?

A) ∆U= 3 10 10 J. B) ∆U= - 3 10 10 J. C) ∆U= 0. D) ∆U može poprimiti bilo koju vrijednost.

5. Ako je u nekom procesu toplota dovedena gasu jednaka radu koji je izvršio gas, onda je takav proces:

A) izobarski. B) adijabatski. B) izotermni. D) izohorni.

6. Prilikom prenošenja 300 J toplote na gas, njegova unutrašnja energija se smanjila za 100 J. Kakav je rad izvršio gas?

A) 100 J. B) 400 J. C) 200 J. D) - 100 J.

Opcija 2

Koja je od sljedećih formula matematički izraz za prvi zakon termodinamike?

A) ∆U= A+Q B) η = A/Q 1 C) U= (3/2) (m/µ) R T D) A = r ∆V

2. Unutrašnja energija gasa tokom njegove izotermne kompresije:

A) ∆U može uzeti bilo koju vrijednost. B) ∆U= 0 C) ∆U> 0 D) ∆U< 0

3. U kom toplotnom procesu se unutrašnja energija sistema ne menja kada pređe iz jednog stanja u drugo?

A) izobarski. B) U izohornom. B) izotermni. D) U adijabatskom

4. U procesu izohornog zagrijavanja, plin je dobio 15 MJ topline. Kolika je promjena unutrašnje energije plina?

A) ∆U= 0 B) ∆U= - 15 MJ C) ∆U= 15 MJ D) ∆U= 1 J

5. Ako je u nekom procesu toplota dovedena gasu jednaka promeni njegove unutrašnje energije, tj. Q= ∆U, onda je takav proces:

A) adijabatski. B) izotermni. B) izohorni. D) izobarski.

6. Prilikom prenošenja 20 kJ toplote na gas, izvršio je rad jednak 53 kJ. Kako se promijenila unutrašnja energija plina?

A) Povećan za 73 kJ. B) Smanjen za 73 kJ. C) Povećan za 33 kJ. D) Smanjen za 33 kJ.

Test za samotestiranje

1 opcija

Opcija 2

. v. Zadaća:

zadatak u svesci (Koliko je toplote doveden helijum ako je rad gasa pri izobaričnom širenju 2 kJ? Kolika je promena unutrašnje energije helijuma?),

1 par (2 časa po 40 minuta)

Vrsta časa: kompleksna kreativna lekcija.

Ciljevi lekcije:

Osigurati da učenici savladaju osnovne pojmove o temi, razumiju suštinu i značenje drugog zakona termodinamike.
Promovirati formiranje znanja o fizičkim zakonima i uticaju različitih uslova na prirodu toka fizičkih procesa.
Kroz organizaciju stvoriti uslove za razvoj intelektualnih sposobnosti i opštih obrazovnih veština samostalan rad učenika i grupnog rada.

Oprema: kalorimetar, metalni cilindar, čelična kugla, kutija za mokri pijesak, matematičko klatno, dijagram motora tipa 2, kartice sa zadacima za grupe.

Tokom nastave

1. Organizacioni momenat.

Izvještavanje o temi časa, zadacima i planu rada. Formiranje radnih grupa uzimajući u obzir posebnosti razmišljanja.

2.Ažuriranje znanja. Priprema za glavnu fazu nastave.

Trajanje do 7-8 minuta.

Od učenika se traži da odgovore na pitanja.

Na osnovu odgovora formulišu se zaključci.

Šta je 1. zakon termodinamike?

Kako se čita zakon?

Koje su granice primjenjivosti ovog zakona? ( Bitan: zakon važi za zatvorene sisteme).

Koji su nedostaci zakona? ( Bitan: zakon ne daje nikakve naznake u kom pravcu se odvijaju procesi koji zadovoljavaju princip očuvanja energije).

Kolika je nejednaka vrijednost istih količina energije različitih vrsta?

(Bitan: Različite vrste energije nisu ekvivalentne u smislu sposobnosti transformacije u druge vrste. Mehanička energija se može u potpunosti pretvoriti u unutrašnju energiju, na primjer, električna energija je unutrašnja. Rezerve unutrašnje energije ni pod kojim okolnostima se ne mogu u potpunosti pretvoriti u druge vrste energije.)

Odabrane karakteristike su potvrđene analizom primjera.

Ako se sistem sastoji od dva tijela sa različitim temperaturama, onda se razmjena topline odvija na način da se temperature tijela izjednače i cijeli sistem dođe u stanje termičke ravnoteže.

Prvi zakon termodinamike ne bi bio narušen ako bi se prijenos topline odvijao sa tijela niske temperature na tijelo s višom temperaturom, pod uslovom da ukupna zaliha energije ostane nepromijenjena.

Svakodnevno iskustvo pokazuje da se prenos toplote sa hladnijeg tela na toplije nikada ne dešava sam.

Kamen pada sa određene visine. U ovom slučaju potencijalna energija se pretvara u kinetičku, a zatim mehaničku - u unutrašnju energiju. U ovom slučaju zakon održanja energije nije narušen.

Obrnuti proces ne bi bio u suprotnosti s prvim zakonom termodinamike: kamen koji leži na tlu zagrijava se prijenosom topline s okolnih tijela, uslijed čega se kamen diže na određenu visinu.

Opisano stanje u prirodi se ne može posmatrati.

3. Organizacija rada u grupama
.

Trajanje rada u grupama je 20-25 minuta.

Zadatak: pročitati tekst udžbenika i ispuniti predložene zadatke.

Vježba 1. Nakon što ste proučili materijal iz § 5.8 i 5.9, unesite koncepte:

Nepovratan proces (navesti primjere);

Drugi zakon termodinamike;

Perpetuum mobile prve vrste;

Perpetualni motor druge vrste.

Zadatak 2. Navedite primjere pojava u kojima dolazi do spontanog izlaska sistema iz stanja termodinamičke ravnoteže.

Iz odgovora učenika:

Za zadatak 1.

Vječni motor prve vrste je uređaj za obavljanje posla bez korištenja izvora energije.

(Važno: ova formulacija je u suprotnosti sa 1. zakonom termodinamike.)

Vječni motor druge vrste je uređaj koji bi obavljao posao samo primajući toplinu iz okoline.

(Bitan: Ova formulacija nije u suprotnosti sa 1. zakonom termodinamike.)

Za zadatak 2.

Primjer kršenja drugog zakona termodinamike u dovoljno malim sistemima je Brownovo kretanje, u kojem čestica suspendirana u tekućini prima kinetičku energiju od molekula okoline, iako temperatura medija nije viša od temperature ispiranje Brownove čestice.

Zadatak. Proučite materijal § 5.8 i 5.9. Razmotrite sljedeće situacije i objasnite šta se događa.

Grupa koristi laboratorijsku opremu da izvrši zadatak.

Težina na žici oscilira.

Šta bi se promijenilo da su vibracije nastale u vakuumu?

Posuda je podijeljena pregradom. Prva polovina sadrži gas, druga polovina sadrži vakuum. Šta se dešava ako se barijera ukloni? Hoće li se gas spontano vratiti nakon nekog vremena u pola 1?

Uporedite te dvije situacije i izvucite zaključak.

1. Dva tijela dovedena u kontakt. Odredite smjer prijenosa topline. Može li se toplota spontano prenositi u suprotnom smjeru?

2. Komad kalijum permanganata spušten je u čašu vode. Nakon nekog vremena dobija se jednolično obojeni rastvor. Može li se ponovo formirati komadić kalijum permanganata?

Zadatak. Proučite materijal § 5.8 i 5.9. Konstruirajte dijagram uređaja u kojem je narušen Clausiusov postulat; Kelvine. Dokazati ekvivalentnost različitih formulacija II zakona termodinamike.

Na odgovor učenika.

Pretpostavljeno rezonovanje učenika da dokaže ekvivalentnost različitih formulacija:

1. Pretpostavimo da je Kelvinov postulat nepravedan.

Tada je moguće izvesti takav proces čiji bi jedini rezultat bio izvođenje rada A zbog energije Q, uzete iz jednog izvora s temperaturom T.

Ovaj rad bi se mogao potpuno ponovo pretvoriti trenjem u toplinu koja se prenosi na tijelo čija je temperatura viša od T.

Jedini rezultat takvog složenog procesa bio bi prijenos topline s tijela s temperaturom T na tijelo s višom temperaturom. Ali to bi bilo u suprotnosti s Clausiusovim postulatom.

Zaključak: Clausiusov postulat ne može biti istinit ako je Kelvinov (Thomsonov) postulat pogrešan.

2. Pretpostavimo da je Clausiusov postulat nepravedan, da se ni Kelvinov postulat ne može ispuniti.

Napravimo običan toplotni motor (lijeva strana slike). Kako se pretpostavlja da je Clausiusov postulat netačan, moguće je provesti proces čiji je jedini rezultat prijelaz Q 2 iz hladnjaka u grijač (desna strana slike). Kao rezultat toga, grijač će dati toplotu Q 1 radnom tijelu mašine i primiti toplinu Q 2 tokom procesa koji je u suprotnosti s Clausiusovim postulatom, tako da će općenito odavati količinu topline jednaku Q 1 - P 2. Mašina pretvara ovu količinu toplote u rad.

U frižideru u celini nema nikakvih promena, jer. on daje i prima isti Q 2.

Kombinacijom toplotnog motora i procesa koji je u suprotnosti s Clausiusovim postulatom, može se dobiti proces koji je u suprotnosti s Kelvinovim postulatom.

Dakle, ili su oba postulata tačna, ili su oba postulata lažna, iu tom smislu su ekvivalentni.

Ciklus je reverzibilan ako se sastoji od reverzibilnih procesa, odnosno onih koji se mogu odvijati u bilo kojem smjeru kroz isti lanac ravnotežnih stanja.

a) Adijabatski procesi su reverzibilni ako se odvijaju dovoljno sporo.

b) Izotermički procesi su jedini procesi sa izmjenom topline koji se mogu izvoditi na reverzibilan način.

U svakom drugom procesu mijenja se temperatura radnog fluida!

4. Prezentacija rezultata rada po grupama.

Ukupno vrijeme za prezentaciju rezultata rada grupa je 20-25 minuta.

Svaka grupa odeljenju predstavlja rezultate svog rada, odgovara na pitanja dece i nastavnika pojašnjavajući, produbljujući razumevanje gradiva.

U toku grupne komunikacije, svi studenti sastavljaju sažetak teze u sveskama, koji uključuje osnovne pojmove, odredbe, obrasce, dijagrame i druge napomene važne za razumijevanje teme.

5. Učvršćivanje stečenog znanja.

Radno vrijeme - 8-10 minuta.

Pažnji učenika nudi se poruka učenika o vodećem zadatku.

Zadatak: Objasniti nepovratnost stvarnih termičkih procesa sa stanovišta statističke mehanike.

Odgovorite na teze:

Razmotrite, sa stanovišta MKT-a, model „vječnog” motora druge vrste.

Rad motora

Gas se spontano skuplja u lijevoj polovini cilindra.
Klip je gurnut blizu gasa. U ovom slučaju vanjske sile ne rade, jer plin sakupljen u lijevoj polovini ne vrši pritisak na klip.
Donosimo toplinu plinu i prisiljavamo ga da se izotermno širi do prvobitne zapremine. U tom slučaju plin obavlja rad zbog dovedene topline.
Nakon što se klip pomeri u krajnji desni položaj, potrebno je sačekati da se gas ponovo spontano skupi u levoj polovini posude, a zatim sve ponoviti.

1. Termodinamički pristup ne objašnjava prirodu ireverzibilnosti stvarnih procesa u makroskopskim sistemima.

2. Molekularno-kinetički pristup nam omogućava da analiziramo uzroke ireverzibilnosti.

Ishod: Ispostavilo se da je to periodično operativna mašina koja radi samo primajući toplotu iz okoline.

(MKT vam omogućava da objasnite zašto takav uređaj ne bi radio.

Učenici se podstiču da razmisle o ovom pitanju.)

Sada postaje moguće objasniti što se podrazumijeva pod konceptom ireverzibilnog procesa: proces je nepovratan ako se obrnuti proces gotovo nikada ne dogodi.

Razmatrani materijal postat će osnova za proučavanje materijala sljedeće lekcije na temu "Toplotni motori"

6. Verifikacija.

Radno vrijeme - 5-7 minuta.

1. Kada tijelo primi toplinu vršenjem mehaničkog rada, to znači nepovratnu transformaciju kinetičke energije uređenog makroskopskog kretanja u kinetičku energiju haotičnog kretanja molekula.

2. Transformacija toplote u rad znači transformaciju energije nasumičnog kretanja molekula u energiju uređenog kretanja makroskopskog tela.

7. Sumiranje lekcije.

Procjena uspješnosti zadataka postavljenih na početku časa.

Grupe za evaluaciju za rad.