Irreversibilità dei processi termici. Il secondo principio della termodinamica. Il concetto di entropia

La prima legge della termodinamica - la legge di conservazione dell'energia per i processi termici - stabilisce una relazione tra la quantità di calore Q ottenuto dal sistema, cambiando ΔU la sua energia interiore e il suo lavoro UN, perfetto su corpi esterni: Q = ∆U + A.

Secondo questa legge, l'energia non può essere creata o distrutta; viene trasferito da un sistema all'altro e si trasforma da una forma all'altra. Non sono mai stati osservati processi che violano la prima legge della termodinamica. Sulla fig. 3.12.1 mostra i dispositivi vietati dalla prima legge della termodinamica.

Motori termici a funzionamento ciclico, vietati dalla prima legge della termodinamica: 1 - macchina a moto perpetuo del 1° tipo, che esegue lavori senza consumare energia dall'esterno; 2 - motore termico con efficienza η > 1

La prima legge della termodinamica non stabilisce la direzione dei processi termici. Tuttavia, come mostra l'esperienza, molti processi termici possono procedere solo in una direzione. Tali processi sono chiamati irreversibili. Ad esempio, nel contatto termico di due corpi con diverse temperature il flusso di calore è sempre diretto da un corpo più caldo a uno più freddo. Non si osserva mai un processo spontaneo di trasferimento di calore da un corpo a bassa temperatura a un corpo a temperatura più alta. alta temperatura. Pertanto, il processo di trasferimento del calore a una differenza di temperatura finita è irreversibile.

I processi reversibili sono i processi di transizione di un sistema da uno stato di equilibrio a un altro, che possono essere eseguiti in direzione inversa attraverso la stessa sequenza di stati di equilibrio intermedi. In questo caso, il sistema stesso ei corpi circostanti tornano al loro stato originale.

Vengono chiamati i processi in cui il sistema rimane sempre in uno stato di equilibrio quasi statico. Tutti i processi quasi statici sono reversibili. Tutti i processi reversibili sono quasi statici.

Se il mezzo di lavoro di un motore termico viene messo in contatto con un serbatoio termico, la cui temperatura rimane invariata durante il processo di scambio termico, l'unico processo reversibile sarà un processo isotermico quasi statico che si verifica a una differenza di temperatura infinitamente piccola tra il mezzo di lavoro e il serbatoio. In presenza di due serbatoi termici con temperature differenti, è possibile effettuare lavorazioni in due sezioni isotermiche in modo reversibile. Poiché il processo adiabatico può essere svolto anche in entrambe le direzioni (compressione adiabatica ed espansione adiabatica), il processo circolare costituito da due isoterme e due adiabatici (ciclo di Carnot) è l'unico processo circolare reversibile in cui il fluido di lavoro viene portato a contatto termico con due soli serbatoi termali. Tutti gli altri processi circolari effettuati con due serbatoi termici sono irreversibili.

Processi di trasformazione lavoro meccanico nell'energia interna del corpo sono irreversibili per la presenza di attrito, processi di diffusione in gas e liquidi, processi di miscelazione dei gas in presenza di una differenza di pressione iniziale, ecc. Tutti i processi reali sono irreversibili, ma possono avvicinarsi arbitrariamente a processi reversibili chiudere. I processi reversibili sono idealizzazioni di processi reali.

La prima legge della termodinamica non può distinguere i processi reversibili da quelli irreversibili. Richiede semplicemente un certo equilibrio energetico dal processo termodinamico e non dice nulla sul fatto che un tale processo sia possibile o meno. La direzione dei processi spontanei stabilisce la seconda legge della termodinamica. Può essere formulato come bandire su alcuni tipi di processi termodinamici.

Il fisico inglese W. Kelvin diede la seguente formulazione della seconda legge nel 1851:

In un motore termico a funzionamento ciclico è impossibile un processo il cui unico risultato sarebbe la conversione in lavoro meccanico dell'intera quantità di calore ricevuta da un unico serbatoio di calore.

Un ipotetico motore termico in cui un tale processo potrebbe aver luogo è chiamato macchina a moto perpetuo del secondo tipo. In condizioni terrestri, una macchina del genere potrebbe prelevare energia termica, ad esempio, dagli oceani e convertirla completamente in lavoro. La massa d'acqua negli oceani è approssimativamente 10 21 kg, e quando si raffredda di un grado, viene rilasciata un'enorme quantità di energia ( ≈ 10 24 J), equivalente alla combustione completa 10 17 kg carbone. L'energia generata annualmente sulla Terra è di circa 10 4 volte meno. Pertanto, una macchina a moto perpetuo del secondo tipo non sarebbe meno attraente per l'umanità di una macchina a moto perpetuo del primo tipo, proibita dalla prima legge della termodinamica.

Il fisico tedesco R. Clausius ha dato una diversa formulazione della seconda legge della termodinamica:

Non esiste un processo il cui unico risultato sarebbe il trasferimento di energia per trasferimento di calore da un corpo a bassa temperatura a un corpo a temperatura più alta.

Sulla fig. 3.12.2 mostra i processi vietati dalla seconda legge, ma non proibiti dalla prima legge della termodinamica. Questi processi corrispondono a due formulazioni della seconda legge della termodinamica.

Processi che non contraddicono la prima legge della termodinamica, ma sono vietati dalla seconda legge: 1 - macchina a moto perpetuo di seconda specie; 2 - trasferimento spontaneo di calore da un corpo freddo a uno più caldo (frigorifero ideale)

Va notato che entrambe le formulazioni della seconda legge della termodinamica sono equivalenti. Se assumiamo, ad esempio, che il calore possa trasferirsi spontaneamente (cioè senza dispendio di lavoro esterno) durante lo scambio termico da un corpo freddo a uno caldo, allora possiamo concludere che è possibile creare una macchina a moto perpetuo del secondo tipo . In effetti, lascia che un vero motore termico riceva dal riscaldatore la quantità di calore Q1 e dà al frigorifero la quantità di calore Q2. Allo stesso tempo, il lavoro è fatto A = Q 1 - |Q 2 |. Se la quantità di calore |Q 2 | passò spontaneamente dal frigorifero alla stufa, quindi risultato finale del lavoro di una vera macchina termica e di una macchina frigorifera ideale sarebbe la conversione della quantità di calore in lavoro Q 1 – |Q 2 | ottenuto dal riscaldatore senza alcuna modifica nel frigorifero. Pertanto, la combinazione di un motore termico reale e di un motore frigorifero ideale equivale a una macchina a moto perpetuo del secondo tipo. Allo stesso modo si può dimostrare che la combinazione di una vera macchina frigorifera e di una macchina a moto perpetuo del secondo tipo equivale ad una macchina frigorifera ideale.

Il secondo principio della termodinamica è direttamente correlato all'irreversibilità dei processi termici reali. L'energia del movimento termico delle molecole è qualitativamente diversa da tutti gli altri tipi di energia: meccanica, elettrica, chimica, ecc. L'energia di qualsiasi tipo, ad eccezione dell'energia del movimento termico delle molecole, può trasformarsi completamente in qualsiasi altro tipo di energia, inclusa l'energia del moto termico. Quest'ultimo può sperimentare la trasformazione solo in qualsiasi altro tipo di energia parzialmente. Pertanto, qualsiasi processo fisico, in cui qualsiasi tipo di energia viene convertita nell'energia del moto termico delle molecole, è un processo irreversibile, cioè non può essere svolto completamente nella direzione opposta.

proprietà comune di tutti i processi irreversibili è che si verificano in un sistema termodinamicamente non di equilibrio e come risultato di questi processi sistema chiuso si avvicina allo stato equilibrio termodinamico .

Sulla base di una qualsiasi delle formulazioni della seconda legge della termodinamica, si possono provare le seguenti affermazioni, chiamate teoremi di Carnot:

L'efficienza di un motore termico funzionante a determinate temperature di riscaldamento e raffreddamento non può essere maggiore dell'efficienza di una macchina che opera su un ciclo di Carnot reversibile alle stesse temperature di riscaldamento e raffreddamento.

L'efficienza di una macchina termica funzionante secondo il ciclo di Carnot non dipende dal tipo di fluido di lavoro, ma solo dalle temperature della stufa e del frigorifero.

Pertanto, l'efficienza di una macchina operante secondo il ciclo di Carnot è massima. η = 1 - Q 2 Q 1 ≤ η max = η Carnot = 1 - T 2 T 1 .

Il segno di uguale in questa relazione corrisponde a cicli reversibili. Per le macchine operanti sul ciclo di Carnot, questa relazione può essere riscritta come

| D 2 | Q 1 = T 2 T 1 o | D 2 | T 2 \u003d Q 1 T 1.

In qualsiasi direzione vada il ciclo di Carnot (in senso orario o antiorario) delle quantità Q1 e Q2 avere sempre segni diversi. Pertanto, possiamo scrivere Q 1 T 1 + Q 2 T 2 = 0.

Questa relazione può essere generalizzata a qualsiasi processo reversibile chiuso, che può essere rappresentato come una sequenza di piccole sezioni isotermiche e adiabatiche (Fig. 3.12.3).

Ciclo arbitrario reversibile come sequenza di piccole sezioni isotermiche e adiabatiche

Con un bypass completo di un ciclo reversibile chiuso

∑ Δ Q i T i = 0 (ciclo reversibile),

Dove ∆Q i = ∆Q 1i + ∆Q 2i- la quantità di calore ricevuta dal fluido di lavoro in due sezioni isotermiche a temperatura Ti. Per svolgere un ciclo così complesso in modo reversibile, è necessario portare il fluido di lavoro a contatto termico con molti serbatoi termici con temperature Ti. Atteggiamento ∆Q i / T i chiamato calore ridotto. La formula risultante lo mostra il calore totale ridotto su qualsiasi ciclo reversibile è zero. Questa formula consente di inserire un nuovo quantità fisica, che è chiamato entropia ed è contrassegnato dalla lettera S(R. Clausius, 1865). Se un sistema termodinamico passa da uno stato di equilibrio a un altro, la sua entropia cambia. La differenza tra i valori di entropia in due stati è uguale al calore ridotto ricevuto dal sistema durante una transizione reversibile da uno stato all'altro.Δ S \u003d S 2 - S 1 \u003d ∑ (1) (2) Δ Q io arr T .

Nel caso di un processo adiabatico reversibile ∆Q i = 0 e quindi l'entropia S Rimane invariato.

Espressione per il cambiamento di entropia ∆S durante la transizione di un sistema non isolato da uno stato di equilibrio (1) ad un altro stato di equilibrio (2) si può scrivere come Δ S = ∫ (1) (2) d Q arr T .

L'entropia è definita fino a un termine costante, proprio come, ad esempio, energia potenziale corpi in un campo di forza. significato fisico ha una differenza ∆S entropia in due stati del sistema. Per determinare la variazione di entropia nel caso transizione irreversibile sistemi da uno stato all'altro, è necessario inventarne alcuni reversibile processo che collega gli stati iniziale e finale e trova il calore ridotto ricevuto dal sistema durante tale transizione.

Entropia e transizioni di fase

Riso. 3.12.4 illustra il processo irreversibile di espansione del gas "nel vuoto" in assenza di scambio termico. Solo gli stati iniziale e finale del gas in questo processo sono in equilibrio e possono essere rappresentati sul diagramma ( p, V). Punti ( un) e ( b) corrispondenti a questi stati giacciono sulla stessa isoterma. Per calcolare il cambio ∆S entropia, possiamo considerare una transizione isotermica reversibile da ( un) in ( b). Poiché durante l'espansione isotermica il gas riceve una certa quantità di calore dai corpi circostanti Q > 0, possiamo concludere che con l'espansione irreversibile del gas, l'entropia aumenta: ∆S > 0.

Espansione del gas nel vuoto. Variazione di entropia Δ S = Q T = A T > 0, dove A = Qè il lavoro del gas in espansione isotermica reversibile

Un altro esempio di processo irreversibile è il trasferimento di calore a una differenza di temperatura finita. Sulla fig. 3.12.5 mostra due corpi racchiusi in un guscio adiabatico. Temperature corporee iniziali T1 e T2< T 1 . Durante il trasferimento di calore, le temperature dei corpi si uniformano gradualmente. Un corpo più caldo emana un po' di calore e uno più freddo lo riceve. Il calore ridotto ricevuto da un corpo freddo supera in modulo il calore ridotto emesso da un corpo caldo. Da qui ne consegue che la variazione dell'entropia di un sistema chiuso in un processo irreversibile di scambio termico ∆S > 0.

Trasferimento di calore a una differenza di temperatura finita: un- stato iniziale; bè lo stato finale del sistema. cambiamento di entropia ∆S > 0

La crescita dell'entropia è una proprietà comune a tutti i processi spontanei irreversibili nei sistemi termodinamici isolati. Nei processi reversibili in sistemi isolati, l'entropia non cambia: ∆S ≥ 0.

Questa relazione è chiamata legge dell'entropia crescente.

In qualsiasi processo che si verifica in sistemi isolati termodinamici, l'entropia rimane invariata o aumenta.

Pertanto, l'entropia indica la direzione dei processi spontanei. Un aumento dell'entropia indica che il sistema si sta avvicinando a uno stato di equilibrio termodinamico. In uno stato di equilibrio, l'entropia prende valore massimo. La legge dell'aumento dell'entropia può essere considerata come un'altra formulazione della seconda legge della termodinamica.

Nel 1878 diede L. Boltzmann probabilistico interpretazione del concetto di entropia. Ha proposto di considerare l'entropia come misura del disordine statistico in un chiuso sistema termodinamico. Tutti i processi spontanei in un sistema chiuso, avvicinando il sistema allo stato di equilibrio e accompagnati da un aumento dell'entropia, sono diretti ad aumentare la probabilità dello stato.

Qualsiasi stato di un sistema macroscopico contenente gran numero particelle, possono essere implementate in molti modi. Probabilità termodinamica w gli stati del sistema sono numero di modi, mediante il quale si può realizzare lo stato dato del sistema macroscopico, o il numero microstati che implementano il dato macrostato. Per definizione, la probabilità termodinamica V >> 1.

Ad esempio, se la nave contiene 1 mol gas, quindi forse un numero enorme N modi per posizionare una molecola in due metà di un vaso: N = 2 N A , dove N A è il numero di Avogadro. Ognuno di loro è un microstato. Solo uno dei microstati corrisponde al caso in cui tutte le molecole sono raccolte in una metà (ad esempio quella destra) del vaso. La probabilità di un tale evento è praticamente nulla. Il maggior numero di microstati corrisponde allo stato di equilibrio, in cui le molecole sono distribuite uniformemente in tutto il volume. Ecco perchè lo stato di equilibrio è il più probabile. D'altra parte, lo stato di equilibrio è lo stato di maggior disordine nel sistema termodinamico e lo stato di massima entropia.

Secondo Boltzmann, l'entropia S sistemi e probabilità termodinamica w sono interconnessi come segue: S = k log W, dove k = 1,38 10 -23 J/Kè la costante di Boltzmann. Pertanto, l'entropia è determinata dal logaritmo del numero di microstati con cui può essere realizzato un dato macrostato. Pertanto, l'entropia può essere considerata come una misura della probabilità dello stato di un sistema termodinamico.

L'interpretazione probabilistica del secondo principio della termodinamica consente una deviazione spontanea del sistema dallo stato di equilibrio termodinamico. Tali deviazioni sono chiamate fluttuazioni. In sistemi contenenti un gran numero di particelle, sono estremamente improbabili deviazioni significative dallo stato di equilibrio.

Tutti i fenomeni meccanici senza attrito
differiscono nella seguente notevole proprietà.
Qualunque movimento meccanico corpo,
il movimento inverso è sempre possibile, in cui
il corpo passa gli stessi punti nello spazio con quelli
le stesse velocità del moto diretto, ma
solo nella direzione opposta. Questo reversibilità
i fenomeni meccanici possono essere altrimenti

da formulare come loro simmetria in relazione alla sostituzione del futuro con il passato, cioè in relazione al mutamento del segno del tempo. Questa simmetria deriva dalle equazioni del moto stesse.

Una situazione completamente diversa si verifica nel campo dei fenomeni termici. Se si verifica un qualsiasi processo termico, allora il processo inverso, cioè un processo in cui gli stessi stati sono attraversati, ma solo in ordine inverso, di regola, è impossibile. In altre parole, i processi termici sono, in generale, processi irreversibile.

Come esempi di processi tipicamente irreversibili si può citare il trasferimento di energia durante il contatto di due corpi a temperature diverse, o il processo di espansione di un gas nel vuoto. I processi inversi non si verificano mai.

In generale, qualsiasi sistema di corpi lasciato a se stesso tende a passare in uno stato di equilibrio termico, in cui i corpi sono a riposo l'uno rispetto all'altro, aventi le stesse temperature e pressioni. Avendo raggiunto questo

stato, il sistema stesso non lo lascia. In altre parole, tutti i fenomeni termici accompagnati da processi di avvicinamento all'equilibrio termico sono irreversibili.

Un esempio di processo in alto grado
reversibile è l'espansione adiabatica
o compressione del gas se le condizioni sono soddisfatte
adiabaticità. Anche il processo isotermico
è reversibile se eseguita
abbastanza lento. "Lentezza" è
generalmente una caratteristica di reversibile
processi: il processo dovrebbe essere così
lento, in modo che i corpi vi partecipassero, per così dire
riuscito in ogni momento ad essere dentro
stato di equilibrio corrispondente a

condizioni esterne attuali. Tali processi sono chiamati quasi statico.

Abbiamo già detto che in un sistema di corpi in equilibrio termico nessun processo può avvenire senza intervento esterno. Questa circostanza ha un altro aspetto: corpi in equilibrio termico non possono produrre alcun lavoro.

Si chiama questa importantissima affermazione sull'impossibilità di ottenere lavoro a causa dell'energia dei corpi in equilibrio termico secondo principio della termodinamica. Siamo costantemente circondati da importanti riserve di energia termica (ad esempio gli oceani del mondo). Motore di sola potenza ambiente, sarebbe praticamente una "macchina a moto perpetuo". Il secondo principio della termodinamica esclude la possibilità di costruire, come si suol dire, macchina a moto perpetuo del secondo tipo, così come la prima legge della termodinamica (la legge di conservazione dell'energia) esclude la possibilità di costruire macchina a moto perpetuo del primo tipo, che funzionerebbe "dal nulla", senza una fonte di energia esterna.

3. Conversione del calore in lavoro meccanico

Passiamo ora al problema che è servito, infatti, a suo tempo ( inizio XIX secolo) la causa dell'emergere della termodinamica come scienza: il problema della conversione del calore in lavoro meccanico o il problema di un motore termico. L'invenzione di metodi per ottenere lavorazioni meccaniche dovute al calore segnò l'inizio di una nuova era nella storia della civiltà.

Il fatto è che il lavoro meccanico può sempre essere completamente convertito in energia termica (a causa, ad esempio, dell'attrito), ma la conversione completa dell'energia termica in energia meccanica, come si è scoperto, è impossibile.

Qualsiasi motore termico che converte il calore in lavoro (motori a vapore, motori a combustione interna, ecc.) funziona ciclicamente, ovvero in esso si ripetono periodicamente i processi di trasferimento del calore e la sua trasformazione in lavoro.

Per fare questo, è necessario che il corpo che fa il lavoro (corpo di lavoro), dopo esserti scaldato

lavoro, è tornato al suo stato originale per ricominciare lo stesso processo.

Ma sappiamo che affinché il lavoro totale del corpo per il ciclo A sia positivo, deve tornare al suo stato originale per Diagramma PV lungo una curva inferiore (vedi Fig. 12.2). Tuttavia, la curva inferiore attiva

il diagramma P-V corrisponde ad una temperatura più bassa, quindi il fluido di lavoro deve essere raffreddato prima della compressione.

Pertanto, per il funzionamento ciclico di una macchina termica, è necessario disporre di un altro, terzo, corpo, che viene chiamato frigorifero ed è ad una temperatura T 2 inferiore alla temperatura del riscaldatore, che è coerente con il secondo principio della termodinamica. Dal secondo principio della termodinamica ne consegue che il lavoro può essere svolto solo a causa di corpi che non sono in equilibrio termico (stufa e frigorifero). Il frigorifero prende un po' di calore |Q 2 | (calore Q 2

negativo, poiché il corpo emette calore) e lo raffredda. Nelle vere macchine termiche, l'ambiente funge da frigorifero.

Lavoro meccanico totale svolto dal fluido di lavoro in un ciclo

ed è uguale, come sappiamo, all'area del ciclo nel diagramma PV (Fig. 12.2).

Efficienza(efficienza) di un motore termico n è chiamato rapporto

Ticket 23. 1. Irreversibilità dei processi termici; secondo principio della termodinamica e sua interpretazione statistica

1. Irreversibilità dei processi termici; secondo principio della termodinamica e sua interpretazione statistica.

La prima legge della termodinamica - la legge di conservazione dell'energia per i processi termici - stabilisce una connessione tra quantità di calore Q ottenuto dal sistema modificando il suo ΔU Energia interna e opera A, perfetto su corpi esterni:

Q = ∆U + A.

Secondo questa legge, l'energia non può essere creata o distrutta; viene trasferito da un sistema all'altro e si trasforma da una forma all'altra. Non sono mai stati osservati processi che violano la prima legge della termodinamica. La prima legge della termodinamica non stabilisce la direzione dei processi termici. Tuttavia, come mostra l'esperienza, molti processi termici possono procedere solo in una direzione. Tali processi sono chiamati irreversibile. Ad esempio, durante il contatto termico di due corpi con temperature diverse, il flusso di calore è sempre diretto da un corpo più caldo a uno più freddo. Non si osserva mai un processo spontaneo di trasferimento di calore da un corpo a bassa temperatura a un corpo a temperatura più alta. Pertanto, il processo di trasferimento del calore a una differenza di temperatura finita è irreversibile. reversibile I processi sono i processi di transizione di un sistema da uno stato di equilibrio all'altro, che possono svolgersi in direzione opposta attraverso la stessa sequenza di stati di equilibrio intermedi. In questo caso, il sistema stesso ei corpi circostanti tornano al loro stato originale. Vengono chiamati i processi in cui il sistema rimane sempre in uno stato di equilibrio quasi statico. Tutti i processi quasi statici sono reversibili. Tutti gli altri processi circolari effettuati con due serbatoi termici sono irreversibili. Irreversibili sono i processi di trasformazione del lavoro meccanico in energia interna del corpo per la presenza di attrito, processi di diffusione in gas e liquidi, processi di miscelazione dei gas in presenza di una differenza di pressione iniziale, ecc. Tutti i processi reali sono irreversibili, ma possono arbitrariamente avvicinarsi a processi reversibili. I processi reversibili sono idealizzazioni di processi reali. La prima legge della termodinamica non può distinguere i processi reversibili da quelli irreversibili. Richiede semplicemente un certo equilibrio energetico dal processo termodinamico e non dice nulla sul fatto che un tale processo sia possibile o meno. La direzione dei processi spontanei stabilisce la seconda legge della termodinamica. Il fisico tedesco R. Clausius formulò la seconda legge della termodinamica: un processo è impossibile il cui unico risultato sarebbe il trasferimento di energia per trasferimento di calore da un corpo a bassa temperatura a un corpo a temperatura più alta. Il secondo principio della termodinamica è direttamente correlato all'irreversibilità dei processi termici reali. L'energia del movimento termico delle molecole è qualitativamente diversa da tutti gli altri tipi di energia: meccanica, elettrica, chimica, ecc. L'energia di qualsiasi tipo, ad eccezione dell'energia del movimento termico delle molecole, può trasformarsi completamente in qualsiasi altro tipo di energia, inclusa l'energia del moto termico. Quest'ultimo può sperimentare la trasformazione in qualsiasi altro tipo di energia solo in parte. Pertanto, qualsiasi processo fisico in cui qualsiasi tipo di energia viene convertito nell'energia del moto termico delle molecole è un processo irreversibile, cioè non può essere svolto completamente nella direzione opposta. Una proprietà comune a tutti i processi irreversibili è che si verificano in un sistema termodinamicamente non di equilibrio e come risultato di questi processi un sistema chiuso si avvicina ad uno stato di equilibrio termodinamico. Sulla base del secondo principio della termodinamica, si possono provare le seguenti affermazioni, che sono chiamate Teoremi di Carnot:

L'efficienza di un motore termico funzionante a determinate temperature di riscaldamento e raffreddamento non può essere maggiore dell'efficienza di una macchina che opera su un ciclo di Carnot reversibile alle stesse temperature di riscaldamento e raffreddamento.
L'efficienza di una macchina termica funzionante secondo il ciclo di Carnot non dipende dal tipo di fluido di lavoro, ma solo dalle temperature della stufa e del frigorifero.

2 . Reazioni nucleari: leggi di conservazione nelle reazioni nucleari; reazioni nucleari a catena; energia nucleare; reazioni termonucleari.

Reazioni nucleari

Durante le interazioni, i nuclei atomici subiscono trasformazioni che sono accompagnate da un aumento o una diminuzione dell'energia cinetica delle particelle che vi partecipano.

Le reazioni nucleari si verificano quando le particelle si avvicinano al nucleo e cadono nella sfera d'azione forze nucleari. Le particelle con carica simile si respingono a vicenda. Pertanto, l'avvicinamento di particelle cariche positivamente ai nuclei (o nuclei tra loro) è possibile se a queste particelle (o nuclei) viene data una grande energia cinetica (ad esempio, protoni, nuclei di deuterio - deuteroni, particelle a e altri nuclei che utilizzano acceleratori di particelle elementari di ioni).

La prima reazione nucleare su protoni veloci è stata effettuata nel 1932. È stato possibile dividere il litio in particelle a:

Rendimento energetico delle reazioni nucleari., dove t p, t p, s sono valori costanti

In questa reazione, l'energia di legame specifica nei nuclei di elio è maggiore dell'energia di legame specifica nel nucleo di litio. Pertanto, parte dell'energia interna del nucleo di litio viene convertita nell'energia cinetica delle particelle a volanti.

Un cambiamento nell'energia di legame dei nuclei significa che l'energia di riposo totale delle particelle e dei nuclei coinvolti nelle reazioni non rimane invariata. Dopotutto, l'energia di riposo del nucleo M I, secondo la formula, è espressa direttamente attraverso l'energia di legame. Secondo la legge di conservazione dell'energia, la variazione dell'energia cinetica nel processo di decadimento è uguale alla variazione dell'energia a riposo dei nuclei e delle particelle coinvolte nella reazione.

La resa energetica di una reazione nucleare è la differenza tra le energie a riposo di nuclei e particelle prima e dopo la reazione. Secondo quanto detto in precedenza, la resa energetica di una reazione nucleare è pari anche alla variazione dell'energia cinetica delle particelle partecipanti alla reazione.

Reazioni nucleari sui neutroni.

La scoperta del neutrone segnò una svolta nello studio delle reazioni nucleari. Poiché i neutroni sono privi di carica, penetrano liberamente nei nuclei atomici e provocano i loro cambiamenti.

Ad esempio, si osserva la seguente reazione:

Enrico Fermi è stato il primo a studiare le reazioni causate dai neutroni. Scoprì che le trasformazioni nucleari sono causate non solo dai neutroni veloci, ma anche dai neutroni.

Le reazioni in cui entrano i nuclei atomici sono molto diverse. I neutroni non sono respinti dai nuclei e quindi sono particolarmente efficaci nel causare lente trasformazioni dei nuclei.

reazioni termonucleari cambio di chiamata nuclei atomici quando si interagisce con particelle elementari o tra di loro.

3. Compito sperimentale: "Misurazione dell'accelerazione caduta libera usando un pendolo matematico.

Argomento della lezione: Irreversibilità dei processi in natura. Il concetto del secondo principio della termodinamica.

Lo scopo della lezione:

1) Mostra l'irreversibilità dei processi in natura, forma un'idea della seconda legge della termodinamica;

2) Sviluppare un'idea della struttura integrale del mondo circostante;

3) Sviluppare la capacità di lavorare in modo indipendente.

Durante le lezioni:

Aggiornamento delle conoscenze di base degli studenti:

Compiti di prova per ripetizione (rilevamento frontale)

1. L'energia interna di un gas ideale dipende da:

A) sulla massa del gas e sulla pressione. B) sulla pressione del gas C) sulla massa del gas. D) sul volume del gas. E) sulla temperatura del gas.

2. Formula per calcolare l'energia interna di un gas monoatomico ideale

MA). A) DA)
. D)
. e) .

3. Quando si verifica un processo isotermico, il valore è uguale a zero

AA'. B) A. C) ΔU. D) D. E) PV.

4. A pressione costante 10 5 Pa gas ha fatto 10 lavori 4 J. Il volume di gas allo stesso tempo

A) aumentato di 1 m 3 . B) aumentato di 10 m 3 . C) aumentato di 0,1 m 3 . D) è diminuito di 0,1 m 3 .

E) diminuito di 10 m 3 .

5. Quando si verifica un processo isocoro, il valore è uguale a zero

A) ΔU. B) PV. C) A. D) Q. E) U.

6. Pressione costanteR volume di gas aumentato di ΔV . Un valore uguale al prodottoR ·Δ V in questo caso si chiama:

A) il lavoro svolto sul gas da forze esterne. C) l'energia interna del gas.

C) la quantità di calore ricevuta dal gas. D) il lavoro svolto dal gas. E) la quantità di calore ceduta dal gas.

7. Il lavoro durante l'espansione adiabatica di un gas ideale è svolto a causa di

A) una diminuzione dell'energia interna del gas. C) la quantità di calore ricevuta.

C) variazioni di pressione. D) la quantità di calore data. E) aumentare l'energia interna del gas.

8. Quando si verifica un processo adiabatico, il valore è uguale a zero

A) A". B) Q. C) A. D) U. E) ΔU.

9. Durante l'espansione isotermica, 10 J di calore sono stati impartiti a un gas ideale. Il lavoro svolto dal gas è

A) 2.5 J. B) 10 J. C) 7.5 J. D) -10 J. E) 5 J.

10. Quando si trasferisce la quantità di calore al gas 2 10 4 J ha lavorato pari a 5 10 4 J. Poi il cambiamento nell'energia interna

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. Se la variazione di energia interna era di 20 kJ e il lavoro svolto dal gas contro le forze esterne è di 12 kJ, la quantità di calore è stata trasferita al gas

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

12. In un processo isotermico, la quantità di calore trasferita al gas è 2 10 8 J. Il cambiamento nell'energia interna del gas è

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

13. La formula della prima legge della termodinamica per un processo isotermico (A è il lavoro del gas, A´ è il lavoro delle forze esterne)

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

14. Un processo in cui il gas non funziona

A) isobarico. B) isotermico. C) adiabatico. D) isocora. E) bollente.

15. La prima legge della termodinamica è stata scoperta sulla base di

A) Seconda legge di Newton. C) La prima legge di Newton. C) la legge di conservazione dell'energia.

D) la legge di conservazione della quantità di moto. E) la legge dell'interrelazione di massa ed energia.

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

II . Imparare nuovo materiale

Molto prima della scoperta della legge di conservazione dell'energia, l'Accademia francese delle scienze decise nel 1775 di non prendere in considerazione progetti per macchine a moto perpetuo del primo tipo. Decisioni simili sono state prese in seguito da importanti istituzioni scientifiche di altri paesi.

Una macchina a moto perpetuo del primo tipo è intesa come un dispositivo che potrebbe svolgere una quantità illimitata di lavoro senza consumare carburante o altri materiali, cioè senza consumare energia. Sono stati creati molti di questi progetti. Ma non tutti hanno funzionato per sempre, questo è ciò che ha portato all'opinione che il punto qui non è nell'imperfezione delle singole strutture, ma in uno schema generale.

Secondo la I legge della termodinamica, se Q = 0, allora il lavoro può essere svolto a causa della perdita di energia interna. Se la riserva di energia è esaurita, il motore smette di funzionare. Se il sistema è isolato e non viene eseguito alcun lavoro, l'energia interna rimane invariata.

La legge di conservazione dell'energia afferma che l'energia interna in ogni sua trasformazione rimane invariata, ma non dice nulla sul tipo di trasformazioni possibili. Nel frattempo, molti processi che sono del tutto ammissibili dal punto di vista della legge di conservazione in realtà non si verificano.

Un corpo più caldo si raffredda da solo, trasferendo la sua energia ai corpi più freddi. Il processo inverso di trasferimento da un corpo più freddo a uno più caldo non contraddice la legge di conservazione, ma non si verifica. Ci sono molti esempi simili. Ciò suggerisce che i processi in natura hanno una certa direzione, non come si riflette nella prima legge della termodinamica. Tutti i processi in natura sono irreversibili (invecchiamento degli organismi).

La seconda legge della termodinamica indica la direzione di possibili trasformazioni energetiche ed esprime così l'irreversibilità dei processi in natura. È stato stabilito riassumendo l'esperienza.

Lo scienziato tedesco R. Clausius lo ha formulato come segue:

È impossibile trasferire il calore da un sistema più freddo a uno più caldo a meno che non vi siano cambiamenti simultanei in entrambi i sistemi o nei corpi circostanti.

Lo scienziato inglese W. Kelvin ha formulato come segue:

È impossibile eseguire periodicamente un tale processo, il cui unico risultato sarebbe la ricezione del lavoro a causa del calore prelevato da una fonte.

In altre parole, nessun motore termico può avere un rendimento pari a uno.

La formulazione di Kelvin della seconda legge consente di esprimere questa legge come un'affermazione. È impossibile costruire una macchina a moto perpetuo del secondo tipo, cioè creare un motore che funzioni raffreddando qualsiasi corpo.

Una macchina a moto perpetuo del secondo tipo non viola la legge di conservazione dell'energia, ma se fosse possibile otterremmo una fonte di lavoro quasi illimitata, prelevandola dagli oceani e raffreddandoli. Tuttavia, il raffreddamento dell'oceano, non appena la sua temperatura scende al di sotto della temperatura ambiente, significherebbe il trasferimento di calore da un corpo più freddo a uno più caldo e un tale processo non può aver luogo.

La seconda legge della termodinamica indica la direzione dei processi in natura.

III . Risoluzione dei problemi:

1 compito . Trova il cambiamento nell'energia interna acqua calda capacità 2 m3 a temperatura 90 0 C quando si è raffreddato a temperatura ambiente (24 0 DA). C=4,19 kJ/kg*K, ρ=1000 kg/m 3

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

2 compito. Trova il cambiamento nell'energia interna dell'acqua quando viene riscaldata a ebollizione in un bollitore elettrico.

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

3 compito Il gas è in un recipiente a pressione 2,5 10 4 Papà. Quando lo informi della quantità di calore 6 10 4 J si espande isobaricamente di 2 m 3 . Quanto è cambiata l'energia interna? Come è cambiata la sua temperatura?

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

IV .Rinforzo (carte con un test per 2 opzioni):

Test

1 opzione

Quale relazione è valida per un processo isobarico in un gas?

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

2. Come cambia l'energia interna di un gas durante la sua espansione isotermica?

A) è in aumento. B) è in diminuzione. C) La variazione di energia interna è zero. D) Il cambiamento di energia interna può assumere qualsiasi valore.

3. In quale processo termico si verifica un cambiamento nello stato del sistema senza trasferimento di calore?

A) isobarico. B) isocora. B) isotermico. D) adiabatico.

4. Nel processo di espansione adiabatica, il gas funziona pari a 3 10 10 J. Qual è la variazione dell'energia interna del gas?

A) ∆U= 3 10 10 J. B) ∆U= - 3 10 10 J. C) ∆U= 0. D) ∆U può assumere qualsiasi valore.

5. Se in qualche processo il calore fornito al gas è uguale al lavoro svolto dal gas, allora tale processo è:

A) isobarico. B) adiabatico. B) isotermico. D) isocora.

6. Quando si trasferiscono 300 J di calore al gas, la sua energia interna è diminuita di 100 J. Che lavoro ha svolto il gas?

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

opzione 2

Quale delle seguenti formule è l'espressione matematica della prima legge della termodinamica?

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

2. Energia interna del gas durante la sua compressione isotermica:

A) ∆U può assumere qualsiasi valore. B) ∆U= 0 C) ∆U> 0 D) ∆U< 0

3. In quale processo termico l'energia interna di un sistema non cambia quando passa da uno stato all'altro?

A) isobarico. B) In isocora. B) isotermico. D) Nell'adiabatico

4. Nel processo di riscaldamento isocoro, il gas ha ricevuto 15 MJ di calore. Qual è la variazione dell'energia interna del gas?

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

5. Se in qualche processo il calore fornito al gas è uguale alla variazione della sua energia interna, cioè Q= ∆U, allora tale processo è:

A) adiabatico. B) isotermico. B) isocora. D) isobarico.

6. Nel trasferire 20 kJ di calore al gas, ha lavorato pari a 53 kJ. Come è cambiata l'energia interna del gas?

A) Aumentato di 73 kJ. B) Diminuito di 73 kJ. C) Aumentato di 33 kJ. D) Diminuito di 33 kJ.

Prova di autodiagnosi

1 opzione

opzione 2

. v. Compiti a casa:

compito nel quaderno (Quanto calore è stato fornito all'elio se il lavoro svolto dal gas durante l'espansione isobarica è di 2 kJ? Qual è la variazione dell'energia interna dell'elio?),

1 coppia (2 lezioni da 40 minuti ciascuna)

Tipo di lezione: lezione creativa complessa.

Obiettivi della lezione:

Per garantire che gli studenti padroneggiano i concetti di base sull'argomento, comprendendo l'essenza e il significato della seconda legge della termodinamica.
Promuovere la formazione della conoscenza delle leggi fisiche e l'influenza di varie condizioni sulla natura del corso dei processi fisici.
Creare le condizioni per lo sviluppo delle capacità intellettuali e delle capacità educative generali attraverso l'organizzazione lavoro indipendente studenti e lavoro di gruppo.

Equipaggiamento: calorimetro, cilindro metallico, sfera d'acciaio, scatola di sabbia bagnata, pendolo matematico, schema motore di tipo 2, schede attività per gruppi.

Durante le lezioni

1. Momento organizzativo.

Riportare l'argomento della lezione, i compiti e il piano di lavoro. Formazione di gruppi di lavoro che tengano conto delle peculiarità del pensiero.

2. Aggiornare la conoscenza. Preparazione per la fase principale delle classi.

Durata fino a 7-8 minuti.

Gli studenti sono invitati a rispondere alle domande.

Sulla base delle risposte, si formulano le conclusioni.

Qual è la prima legge della termodinamica?

Come si legge la legge?

Quali sono i limiti di applicabilità di questa legge? ( Importante: la legge vale per i sistemi chiusi).

Quali sono le carenze della legge? ( Importante: la legge non dà alcuna indicazione della direzione in cui procedono i processi che soddisfano il principio di conservazione dell'energia).

Qual è il valore disuguale delle stesse quantità di energia di tipi diversi?

(Importante: Tipi diversi le energie non sono equivalenti in termini di capacità di trasformarsi in altre specie. L'energia meccanica può essere completamente trasformata in energia interna, ad esempio l'energia elettrica è interna. Le riserve di energia interna in nessun caso possono essere completamente convertite in altri tipi di energia.)

Le caratteristiche selezionate sono confermate dall'analisi di esempi.

Se il sistema è costituito da due corpi con temperature diverse, lo scambio termico avviene in modo tale che le temperature dei corpi siano equalizzate e l'intero sistema raggiunga uno stato di equilibrio termico.

La prima legge della termodinamica non verrebbe violata se il trasferimento di calore avvenisse da un corpo a bassa temperatura ad un corpo a temperatura più alta, a condizione che l'apporto energetico totale rimanesse invariato.

L'esperienza quotidiana mostra che il trasferimento di calore da un corpo più freddo a uno più caldo non avviene mai da solo.

Un sasso cade da una certa altezza. In questo caso, l'energia potenziale viene convertita in energia cinetica e quindi meccanica in energia interna. In questo caso, la legge di conservazione dell'energia non viene violata.

Il processo inverso non contraddirebbe la prima legge della termodinamica: una pietra che giace a terra viene riscaldata dal trasferimento di calore dai corpi circostanti, per cui la pietra sale a una certa altezza.

La situazione in natura descritta non può essere osservata.

3. Organizzazione del lavoro in gruppi
.

La durata del lavoro in gruppo è di 20-25 minuti.

Compito: leggi il testo del libro di testo e completa i compiti proposti.

Esercizio 1. Dopo aver studiato il materiale del § 5.8 e 5.9, inserisci i concetti:

Processo irreversibile (fornire esempi);

Secondo principio della termodinamica;

Perpetuum mobile del primo tipo;

Macchina a moto perpetuo del secondo tipo.

Compito 2. Fornire esempi di fenomeni in cui vi è un'uscita spontanea del sistema dallo stato di equilibrio termodinamico.

Dalle risposte degli studenti:

Per il compito 1.

Una macchina a moto perpetuo del primo tipo è un dispositivo per svolgere il lavoro senza utilizzare una fonte di energia.

(Importante: questa formulazione contraddice la prima legge della termodinamica.)

Una macchina a moto perpetuo del secondo tipo è un dispositivo che funzionerebbe solo ottenendo calore dall'ambiente.

(Importante: Questa formulazione non contraddice la prima legge della termodinamica.)

Per il compito 2.

Un esempio della violazione della seconda legge della termodinamica in sistemi sufficientemente piccoli è il moto browniano, in cui una particella sospesa in un liquido riceve energia cinetica dalle molecole dell'ambiente, sebbene la temperatura del mezzo non sia superiore alla temperatura di il lavaggio della particella browniana.

Esercizio. Studia il materiale § 5.8 e 5.9. Considera le seguenti situazioni e spiega cosa sta succedendo.

Il gruppo utilizza attrezzature di laboratorio per completare l'attività.

Il peso sulla corda oscilla.

Cosa cambierebbe se le vibrazioni fossero fatte nel vuoto?

La nave è divisa da un tramezzo. La prima metà contiene gas, la seconda metà contiene il vuoto. Cosa succede se la barriera viene rimossa? Il gas ritornerà spontaneamente dopo un po' di tempo a metà 1?

in)

Confronta le due situazioni e trai una conclusione.

1. Due corpi messi in contatto. Specificare la direzione del trasferimento di calore. Il calore può trasferirsi spontaneamente nella direzione opposta?

2. Un pezzo di permanganato di potassio è stato immerso in un bicchiere d'acqua. Dopo qualche tempo si ottiene una soluzione di colore uniforme. Si può formare di nuovo un pezzo di permanganato di potassio?

Esercizio. Studia il materiale § 5.8 e 5.9. Costruire un diagramma di un dispositivo in cui viene violato il postulato di Clausius; Kelvin. Dimostrare l'equivalenza di diverse formulazioni della II legge della termodinamica.

Alla risposta degli studenti.

Presunto ragionamento degli studenti per dimostrare l'equivalenza di varie formulazioni:

1. Assumiamo che il postulato di Kelvin sia ingiusto.

Quindi è possibile eseguire un tale processo, il cui unico risultato sarebbe l'esecuzione del lavoro A dovuto all'energia Q, prelevata da un'unica sorgente con temperatura T.

Questo lavoro potrebbe essere completamente riconvertito per attrito in calore trasferito a un corpo la cui temperatura è superiore a T.

L'unico risultato di un tale processo composto sarebbe il trasferimento di calore da un corpo con temperatura T a un corpo con una temperatura più alta. Ma questo contraddirebbe il postulato di Clausius.

Conclusione: il postulato di Clausius non può essere vero se il postulato di Kelvin (Thomson) è sbagliato.

2. Assumiamo che il postulato di Clausius sia ingiusto, che nemmeno il postulato di Kelvin possa essere soddisfatto.

Costruiamo un normale motore termico (lato sinistro della figura). Poiché si presume che il postulato di Clausius non sia corretto, è possibile eseguire un processo il cui unico risultato è il passaggio di Q 2 dal frigorifero al riscaldatore (lato destro della figura). Di conseguenza, il riscaldatore cederà calore Q 1 al corpo di lavoro della macchina e riceverà calore Q 2 durante un processo che contraddice il postulato di Clausius, per cui in generale emetterà una quantità di calore pari a Q 1 - D 2. La macchina trasforma questa quantità di calore in lavoro.

Nel frigorifero nel suo insieme, non si verificano affatto cambiamenti, perché. dà e riceve lo stesso Q 2.

Combinando un motore termico e un processo che contraddice il postulato di Clausius, si può ottenere un processo che contraddice il postulato di Kelvin.

Quindi, o entrambi i postulati sono veri, oppure entrambi i postulati sono falsi, e in questo senso sono equivalenti.

Un ciclo è reversibile se è costituito da processi reversibili, cioè quelli che possono essere svolti in qualsiasi direzione attraverso la stessa catena di stati di equilibrio.

a) I processi adiabatici sono reversibili se eseguiti abbastanza lentamente.

b) I processi isotermici sono gli unici processi con scambio termico che possono essere eseguiti in modo reversibile.

In qualsiasi altro processo, la temperatura del fluido di lavoro cambia!

4. Presentazione dei risultati del lavoro da parte dei gruppi.

Il tempo totale per la presentazione dei risultati del lavoro dei gruppi è di 20-25 minuti.

Ogni gruppo presenta alla classe i risultati del proprio lavoro, risponde alle domande dei bambini e dell'insegnante facendo chiarezza, approfondendo la comprensione del materiale.

Nel corso della comunicazione di gruppo, tutti gli studenti redigono su quaderni un riassunto della tesi, che include concetti di base, disposizioni, schemi, schemi e altre note importanti per la comprensione dell'argomento.

5. Consolidamento delle conoscenze acquisite.

Orario di lavoro - 8-10 minuti.

All'attenzione degli studenti viene offerto un messaggio dello studente sul compito principale.

Compito: Spiegare l'irreversibilità dei processi termici reali dal punto di vista della meccanica statistica.

Rispondi tesi:

Si consideri, dal punto di vista dell'MKT, un modello di macchina a moto “perpetuo” del secondo tipo.

Funzionamento del motore

Il gas si raccoglie spontaneamente nella metà sinistra del cilindro.
Il pistone viene spinto vicino al gas. In questo caso, le forze esterne non funzionano, perché il gas raccolto nella metà sinistra non esercita pressione sul pistone.
Portiamo calore al gas e lo costringiamo ad espandersi isotermicamente al suo volume originale. In questo caso, il gas esegue il lavoro a causa del calore fornito.
Dopo che il pistone si è spostato nella posizione di estrema destra, è necessario attendere che il gas si raccolga di nuovo spontaneamente nella metà sinistra della nave, quindi ripetiamo tutto di nuovo.

1. L'approccio termodinamico non spiega la natura dell'irreversibilità dei processi reali nei sistemi macroscopici.

2. L'approccio cinetico-molecolare permette di analizzare le cause dell'irreversibilità.

Risultato: si è rivelata una macchina a funzionamento periodico che funziona solo ricevendo calore dall'ambiente.

(MKT ti consente di spiegare perché un dispositivo del genere non funzionerebbe.

Gli studenti sono incoraggiati a riflettere su questa domanda.)

Ora diventa possibile spiegare quale significato sia attribuito al concetto di processo irreversibile: un processo è irreversibile se il processo inverso non si verifica quasi mai.

Il materiale considerato diventerà la base per lo studio del materiale prossima lezione sull'argomento “Motori termici”

6. Lavoro di verifica.

Orario di lavoro - 5-7 minuti.

1. Quando un corpo riceve calore mediante un lavoro meccanico, ciò significa la trasformazione irreversibile dell'energia cinetica di un movimento macroscopico ordinato nell'energia cinetica del movimento caotico delle molecole.

2. La trasformazione del calore in lavoro significa la trasformazione dell'energia del movimento casuale delle molecole nell'energia del movimento ordinato di un corpo macroscopico.

7. Riassumendo la lezione.

Valutazione del successo dei compiti fissati all'inizio della lezione.

Valutazione dei gruppi di lavoro.