Ireversibilitatea proceselor termice. A doua lege a termodinamicii. Conceptul de entropie

Prima lege a termodinamicii - legea conservării energiei pentru procesele termice - stabilește o relație între cantitatea de căldură Q obtinut de sistem, prin schimbare ΔU energia și munca ei interioară A, perfect peste corpurile externe: Q = ∆U + A.

Motoare termice cu funcționare ciclică, interzise de prima lege a termodinamicii: 1 - mașină cu mișcare perpetuă de felul I, care efectuează lucrări fără consum de energie din exterior; 2 - motor termic cu eficienta η > 1

Prima lege a termodinamicii nu stabilește direcția proceselor termice. Cu toate acestea, după cum arată experiența, multe procese termice pot continua doar într-o singură direcție. Astfel de procese sunt numite ireversibile. De exemplu, în contactul termic a două corpuri cu temperaturi diferite fluxul de căldură este întotdeauna direcționat de la un corp mai cald către unul mai rece. Nu se observă niciodată un proces spontan de transfer de căldură de la un corp cu o temperatură scăzută la un corp cu o temperatură mai mare. temperatura ridicata. Prin urmare, procesul de transfer de căldură la o diferență finită de temperatură este ireversibil.

Procesele reversibile sunt procesele de tranziție a unui sistem de la o stare de echilibru la alta, care pot fi efectuate în direcție inversă prin aceeași succesiune de stări intermediare de echilibru. În acest caz, sistemul însuși și corpurile înconjurătoare revin la starea lor inițială.

Se numesc procesele în care sistemul rămâne într-o stare de echilibru tot timpul cvasistatic. Toate procesele cvasi-statice sunt reversibile. Toate procesele reversibile sunt cvasi-statice.

Dacă corpul de lucru al unui motor termic este adus în contact cu un rezervor termic, a cărui temperatură rămâne neschimbată în timpul procesului de schimb de căldură, atunci singurul proces reversibil va fi un proces izotermic cvasistatic care are loc la o diferență de temperatură infinit de mică. între fluidul de lucru și rezervor. În prezența a două rezervoare termice cu temperaturi diferite, este posibil să se efectueze procese în două secțiuni izoterme într-un mod reversibil. Deoarece procesul adiabatic poate fi realizat și în ambele direcții (compresie adiabatică și dilatare adiabatică), procesul circular format din două izoterme și două adiabate (ciclul Carnot) este singurul proces circular reversibil în care fluidul de lucru este adus în contact termic. cu doar două rezervoare termice. Toate celelalte procese circulare efectuate cu două rezervoare termice sunt ireversibile.

Procese de transformare munca mecanicaîn energia internă a corpului sunt ireversibile datorită prezenței frecării, proceselor de difuzie în gaze și lichide, proceselor de amestecare a gazelor în prezența unei diferențe de presiune inițiale etc. Toate procesele reale sunt ireversibile, dar se pot aborda în mod arbitrar procesele reversibile. închide. Procesele reversibile sunt idealizări ale proceselor reale.

Prima lege a termodinamicii nu poate distinge procesele reversibile de cele ireversibile. Pur și simplu necesită un anumit echilibru energetic din procesul termodinamic și nu spune nimic despre dacă un astfel de proces este posibil sau nu. Direcția proceselor care apar spontan stabilește a doua lege a termodinamicii. Poate fi formulat ca interdicţie asupra anumitor tipuri de procese termodinamice.

Fizicianul englez W. Kelvin a dat următoarea formulare a celei de-a doua legi în 1851:

Într-un motor termic care funcționează ciclic, un proces este imposibil, al cărui singur rezultat ar fi conversia în lucru mecanic a întregii cantități de căldură primite de la un singur rezervor de căldură.

Un motor termic ipotetic în care ar putea avea loc un astfel de proces se numește o mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel. În condiții terestre, o astfel de mașină ar putea prelua energie termică, de exemplu, din oceane și o poate transforma complet în muncă. Masa de apă din oceane este de aproximativ 10 21 kg, iar când se răcește cu un grad, ar fi eliberată o cantitate uriașă de energie ( ≈ 10 24 J), echivalent cu arderea completă 10 17 kg cărbune. Energia generată anual pe Pământ este de aproximativ 10 4 ori mai putin. Prin urmare, o mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel nu ar fi mai puțin atractivă pentru omenire decât o mașină cu mișcare perpetuă de primul fel, interzisă de prima lege a termodinamicii.

Fizicianul german R. Clausius a dat o formulare diferită a celei de-a doua legi a termodinamicii:

Este imposibil un proces, al cărui singur rezultat ar fi transferul de energie prin transfer de căldură de la un corp cu o temperatură scăzută la un corp cu o temperatură mai mare.

Pe fig. 3.12.2 prezintă procesele interzise de a doua lege, dar neinterzise de prima lege a termodinamicii. Aceste procese corespund două formulări ale celei de-a doua legi a termodinamicii.

Procese care nu contrazic prima lege a termodinamicii, dar sunt interzise de a doua lege: 1 - mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel; 2 - transfer spontan de căldură de la un corp rece la unul mai cald (frigider ideal)

Trebuie remarcat faptul că ambele formulări ale celei de-a doua legi a termodinamicii sunt echivalente. Dacă presupunem, de exemplu, că căldura se poate transfera spontan (adică fără cheltuiala muncii externe) în timpul schimbului de căldură de la un corp rece la unul cald, atunci putem concluziona că este posibil să se creeze o mașină cu mișcare perpetuă a corpului. al doilea fel. Într-adevăr, lăsați un motor termic adevărat să primească de la încălzitor cantitatea de căldură Î1și oferă frigiderului cantitatea de căldură Q2. În același timp, se lucrează A = Q 1 - |Q 2 |. Dacă cantitatea de căldură |Q 2 | a trecut spontan de la frigider la încălzitor, apoi rezultat final a muncii unui motor termic real și a unei mașini frigorifice ideale ar fi conversia cantității de căldură în muncă Q 1 – |Q 2 | obtinut din incalzitor fara nici o schimbare in frigider. Astfel, combinația dintre un motor termic real și un motor frigorific ideal este echivalentă cu o mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel. În mod similar, se poate demonstra că combinația dintre o mașină frigorifică reală și o mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel este echivalentă cu o mașină frigorifică ideală.

A doua lege a termodinamicii este direct legată de ireversibilitatea proceselor termice reale. Energia mișcării termice a moleculelor este diferită calitativ de toate celelalte tipuri de energie - mecanică, electrică, chimică etc. Energia de orice fel, cu excepția energiei mișcării termice a moleculelor, se poate transforma complet în orice alt tip de energie, inclusiv energia mișcării termice. Acesta din urmă poate experimenta transformarea în orice alt tip de energie numai parţial. Prin urmare, orice proces fizic, în care orice tip de energie este convertit în energia mișcării termice a moleculelor, este un proces ireversibil, adică nu poate fi efectuat complet în direcția opusă.

proprietate comună dintre toate procesele ireversibile este că ele apar într-un sistem de neechilibru termodinamic și ca rezultat al acestor procese sistemul închis se apropie de stat echilibru termodinamic .

Pe baza oricăreia dintre formulările celei de-a doua legi a termodinamicii se pot demonstra următoarele afirmații, care se numesc teoreme lui Carnot:

Eficiența unui motor termic care funcționează la o anumită temperatură de încălzire și mai rece nu poate fi mai mare decât eficiența unei mașini care funcționează pe un ciclu Carnot reversibil la aceleași temperaturi de încălzire și mai scăzute.

Eficiența unui motor termic care funcționează conform ciclului Carnot nu depinde de tipul de fluid de lucru, ci doar de temperaturile încălzitorului și frigiderului.

Astfel, eficiența unei mașini care funcționează conform ciclului Carnot este maximă. η = 1 - Q 2 Q 1 ≤ η max = η Carnot = 1 - T 2 T 1 .

Semnul egal în această relație corespunde ciclurilor reversibile. Pentru mașinile care funcționează pe ciclul Carnot, această relație poate fi rescrisă ca

| Q 2 | Q1 = T2T1 sau | Q 2 | T 2 \u003d Q 1 T 1.

În orice direcție merge ciclul Carnot (în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers acelor de ceasornic) a cantităților Î1și Q2 intotdeauna am semne diferite. Prin urmare, putem scrie Q 1 T 1 + Q 2 T 2 = 0.

Această relație poate fi generalizată la orice proces reversibil închis, care poate fi reprezentat ca o succesiune de mici secțiuni izoterme și adiabatice (Fig. 3.12.3).

Ciclu reversibil arbitrar ca o secvență de mici secțiuni izoterme și adiabatice

Cu o bypass completă a unui ciclu închis reversibil

∑ Δ Q i T i = 0 (ciclu reversibil),

Unde ∆Q i = ∆Q 1i + ∆Q 2i- cantitatea de căldură primită de fluidul de lucru în două secțiuni izoterme la o temperatură T i. Pentru a efectua un astfel de ciclu complex într-un mod reversibil, este necesar să aduceți fluidul de lucru în contact termic cu multe rezervoare termice cu temperaturi. T i. Atitudine ∆Q i / T i numit căldură redusă. Formula rezultată arată că căldura totală redusă pe orice ciclu reversibil este zero. Această formulă vă permite să introduceți o nouă formulă cantitate fizica, Care e numit entropieși este marcat cu litera S(R. Clausius, 1865). Dacă un sistem termodinamic trece de la o stare de echilibru la alta, atunci entropia lui se schimbă. Diferența dintre valorile entropiei în două stări este egală cu căldura redusă primită de sistem în timpul unei tranziții reversibile de la o stare la alta.Δ S \u003d S 2 - S 1 \u003d ∑ (1) (2) Δ Q i arr T .

În cazul unui proces adiabatic reversibil ∆Q i = 0și de aici entropia S ramane neschimbat.

Expresie pentru modificarea entropiei ∆Sîn timpul tranziției unui sistem neizolat de la o stare de echilibru (1) la o altă stare de echilibru (2) se poate scrie ca Δ S = ∫ (1) (2) d Q arr T .

Entropia este definită până la un termen constant, la fel ca, de exemplu, energie potențială corpuri într-un câmp de forță. sens fizic are o diferenta ∆S entropia în două stări ale sistemului. Pentru a determina modificarea entropiei în caz tranziție ireversibilă sisteme de la o stare la alta, trebuie să veniți cu unele reversibil proces care conectează stările inițiale și finale și găsiți căldura redusă primită de sistem în timpul unei astfel de tranziții.

Entropie și tranziții de fază

Orez. 3.12.4 ilustrează procesul ireversibil de expansiune a gazului „în gol” în absența schimbului de căldură. Doar stările inițiale și finale ale gazului în acest proces sunt în echilibru și pot fi reprezentate pe diagramă ( p, V). Puncte ( A) și ( b) corespunzătoare acestor stări se află pe aceeași izotermă. Pentru a calcula modificarea ∆S entropie, putem considera o tranziție izotermă reversibilă de la ( A) în ( b). Deoarece în timpul expansiunii izoterme gazul primește o anumită cantitate de căldură de la corpurile înconjurătoare Q > 0, putem concluziona că odată cu expansiunea ireversibilă a gazului, entropia a crescut: ∆S > 0.

Expansiunea gazului în gol. Modificarea entropiei Δ S = Q T = A T > 0, unde A = Q este lucrul gazului în expansiune izotermă reversibilă

Un alt exemplu de proces ireversibil este transferul de căldură la o diferență finită de temperatură. Pe fig. 3.12.5 prezintă două corpuri închise într-o înveliș adiabatic. Temperaturile inițiale ale corpului T1și T2< T 1 . În timpul transferului de căldură, temperaturile corpului se egalizează treptat. Un corp mai cald degajă puțină căldură, iar unul mai rece o primește. Căldura redusă primită de un corp rece depășește în modul căldura redusă emisă de un corp fierbinte. De aici rezultă că modificarea entropiei unui sistem închis într-un proces ireversibil de transfer de căldură ∆S > 0.

Transfer de căldură la o diferență finită de temperatură: A- stare initiala; b este starea finală a sistemului. modificarea entropiei ∆S > 0

Creșterea entropiei este o proprietate comună a tuturor proceselor spontane ireversibile în sisteme termodinamice izolate. În procesele reversibile din sisteme izolate, entropia nu se modifică: ∆S ≥ 0.

Această relație se numește legea creșterii entropiei.

Pentru orice procese care au loc în sisteme izolate termodinamice, entropia fie rămâne neschimbată, fie crește.

Astfel, entropia indică direcția proceselor spontane. O creștere a entropiei indică faptul că sistemul se apropie de o stare de echilibru termodinamic. Într-o stare de echilibru, entropia ia valoare maximă. Legea creșterii entropiei poate fi luată ca o altă formulare a celei de-a doua legi a termodinamicii.

În 1878 L. Boltzmann a dat probabilistică interpretarea conceptului de entropie. El a propus să considere entropia ca măsura tulburării statisticeîntr-un loc închis sistem termodinamic. Toate procesele spontane dintr-un sistem închis, care apropie sistemul de starea de echilibru și sunt însoțite de o creștere a entropiei, sunt direcționate către creșterea probabilității stării.

Orice stare a unui sistem macroscopic care contine număr mare particule, pot fi implementate în mai multe moduri. Probabilitate termodinamică W stările sistemului sunt număr de moduri, prin care se poate realiza starea dată a sistemului macroscopic, sau numărul microstări care implementează macrostarea dată. Prin definiție, probabilitatea termodinamică W >> 1.

De exemplu, dacă vasul conține 1 mol gaz, apoi poate un număr mare N modalități de plasare a unei molecule în două jumătăți de vas: N = 2 N A , unde N A este numărul lui Avogadro. Fiecare dintre ele este un microstat. Doar una dintre microstări corespunde cazului în care toate moleculele sunt colectate într-o jumătate (de exemplu, cea dreaptă) a vasului. Probabilitatea unui astfel de eveniment este practic zero. Cel mai mare număr de microstări corespunde stării de echilibru, în care moleculele sunt distribuite uniform în volum. De aceea starea de echilibru este cea mai probabilă. Pe de altă parte, starea de echilibru este starea celei mai mari tulburări din sistemul termodinamic și starea cu entropie maximă.

După Boltzmann, entropia S sisteme și probabilitate termodinamică W sunt interconectate după cum urmează: S = k ln W, Unde k = 1,38 10-23 J/K este constanta Boltzmann. Astfel, entropia este determinată de logaritmul numărului de microstări cu care poate fi realizată o anumită macrostare. Prin urmare, entropia poate fi considerată o măsură a probabilității stării unui sistem termodinamic.

Interpretarea probabilistică a celei de-a doua legi a termodinamicii permite o abatere spontană a sistemului de la starea de echilibru termodinamic. Se numesc astfel de abateri fluctuatii. În sistemele care conțin un număr mare de particule, abaterile semnificative de la starea de echilibru sunt extrem de puțin probabile.

Toate fenomenele mecanice fără frecare
diferă în următoarea proprietate remarcabilă.
Tot ceea ce mișcare mecanică corp,
este întotdeauna posibilă mișcarea inversă, în care
corpul trece prin aceleași puncte din spațiu cu acelea
aceleași viteze ca în mișcare directă, dar
numai în sens invers. Acest reversibilitate
fenomenele mecanice pot fi altfel

să formuleze ca simetria lor în raport cu înlocuirea viitorului cu trecutul, adică în raport cu schimbarea semnului timpului. Această simetrie decurge din ecuațiile de mișcare în sine.

O situație cu totul diferită are loc în domeniul fenomenelor termice. Dacă are loc vreun proces termic, atunci procesul invers, adică. un proces în care se parcurg aceleași stări, dar numai în ordine inversă, de regulă, este imposibil. Cu alte cuvinte, procesele termice sunt, în general, procese ireversibil.

Ca exemple de procese tipic ireversibile, se poate cita transferul de energie în timpul contactului a două corpuri cu temperaturi diferite sau procesul de expansiune a unui gaz în vid. Procesele inverse nu apar niciodată.

În general, orice sistem de corpuri lăsate în sine tinde să treacă într-o stare de echilibru termic, în care corpurile sunt în repaus unele față de altele, având aceleași temperaturi și presiuni. Reuşind acest lucru

stat, sistemul în sine nu îl părăsește. Cu alte cuvinte, toate fenomenele termice însoțite de procese de apropiere a echilibrului termic sunt ireversibile.

Un exemplu de proces în grad înalt
reversibilă este expansiunea adiabatică
sau comprimarea gazului dacă sunt îndeplinite condițiile
adiabaticitate. Procesul izotermic de asemenea
este reversibilă dacă este efectuată
destul de lent. „Lentoarea” este
în general o trăsătură caracteristică reversibilului
procese: procesul ar trebui să fie așa
încet, astfel încât corpurile care participă la el, parcă
a reușit în fiecare moment al timpului să fie în
starea de echilibru corespunzătoare

condiţiile externe actuale. Astfel de procese sunt numite cvasistatic.

Am menționat deja că într-un sistem de corpuri în echilibru termic, niciun proces nu poate avea loc fără intervenție externă. Această împrejurare are un alt aspect: corpurile aflate în echilibru termic nu pot produce nicio muncă.

Această afirmație extrem de importantă despre imposibilitatea obținerii de muncă din cauza energiei corpurilor aflate în echilibru termic se numește a doua lege a termodinamicii. Suntem înconjurați constant de rezerve semnificative de energie termică (de exemplu, oceanele lumii). Motor numai cu putere mediu inconjurator, ar fi practic o „mașină cu mișcare perpetuă”. A doua lege a termodinamicii exclude posibilitatea de a construi, după cum se spune, mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel, la fel cum prima lege a termodinamicii (legea conservării energiei) exclude posibilitatea construirii mașină cu mișcare perpetuă de primul fel, care ar lucra „din nimic”, fără o sursă externă de energie.

3. Transformarea căldurii în lucru mecanic

Să trecem acum la problema care a servit, de fapt, la vremea ei ( începutul XIX secolul) cauza apariției termodinamicii ca știință - problema conversiei căldurii în lucru mecanic sau problema unui motor termic. Invenția metodelor de obținere a lucrului mecanic datorat căldurii a fost începutul unei noi ere în istoria civilizației.

Faptul este că munca mecanică poate fi întotdeauna convertită complet în energie termică (datorită, de exemplu, frecare), dar conversia completă a energiei termice în energie mecanică, după cum sa dovedit, este imposibilă.

Orice motor termic care transformă căldura în muncă (motoare cu abur, motoare cu ardere internă etc.) funcționează ciclic, adică procesele de transfer de căldură și transformarea acesteia în muncă se repetă periodic în el.

Pentru a face acest lucru, este necesar ca organismul care face munca (corp de lucru), dupa ce s-a incalzit

lucru, a revenit la starea inițială pentru a începe din nou același proces.

Dar știm că pentru ca munca totală a corpului pentru ciclul A să fie pozitivă, acesta trebuie să revină la starea inițială prin Diagrama P-V de-a lungul unei curbe inferioare (vezi Fig. 12.2). Cu toate acestea, curba inferioară este pe

diagrama P-V corespunde unei temperaturi mai scăzute, deci fluidul de lucru trebuie răcit înainte de comprimare.

Prin urmare, pentru funcționarea ciclică a unui motor termic, este necesar să existe un al treilea corp, care se numește frigiderși se află la o temperatură T2 mai mică decât temperatura încălzitorului, ceea ce este în concordanță cu cea de-a doua lege a termodinamicii. Din a doua lege a termodinamicii rezultă că munca se poate face numai datorită corpurilor care nu se află în echilibru termic (încălzitor și frigider). Frigiderul ia puțină căldură |Q 2 | (caldura Q 2

negativ, deoarece corpul degajă căldură) și îl răcește. În motoarele termice reale, mediul servește drept frigider.

Munca mecanică totală efectuată de fluidul de lucru într-un ciclu

și este egal, după cum știm, cu aria buclei ciclului din diagrama P-V (Fig. 12.2).

Eficienţă(eficiența) unui motor termic n se numește raport

Biletul 23. 1. Irreversibilitatea proceselor termice; a doua lege a termodinamicii și interpretarea ei statistică

1. Irreversibilitatea proceselor termice; a doua lege a termodinamicii și interpretarea ei statistică.

Prima lege a termodinamicii - legea conservării energiei pentru procesele termice - stabilește o legătură între cantitatea de căldură Q obținut de sistem prin modificarea lui ΔU energie internași muncă A, perfect peste corpurile exterioare:

Q = ∆U + A.

Conform acestei legi, energia nu poate fi creată sau distrusă; se transferă de la un sistem la altul și se transformă dintr-o formă în alta. Procesele care încalcă prima lege a termodinamicii nu au fost niciodată observate. Prima lege a termodinamicii nu stabilește direcția proceselor termice. Cu toate acestea, după cum arată experiența, multe procese termice pot continua doar într-o singură direcție. Astfel de procese sunt numite ireversibil. De exemplu, în timpul contactului termic al două corpuri cu temperaturi diferite, fluxul de căldură este întotdeauna direcționat de la un corp mai cald la unul mai rece. Nu se observă niciodată un proces spontan de transfer de căldură de la un corp cu o temperatură scăzută la un corp cu o temperatură mai mare. Prin urmare, procesul de transfer de căldură la o diferență finită de temperatură este ireversibil. reversibil procesele sunt procesele de tranziție a unui sistem de la o stare de echilibru la alta, care pot fi efectuate în sens invers prin aceeași succesiune de stări intermediare de echilibru. În acest caz, sistemul însuși și corpurile înconjurătoare revin la starea lor inițială. Se numesc procesele în care sistemul rămâne într-o stare de echilibru tot timpul cvasistatic. Toate procesele cvasi-statice sunt reversibile. Toate celelalte procese circulare efectuate cu două rezervoare termice sunt ireversibile. Ireversibile sunt procesele de transformare a muncii mecanice în energie internă a corpului datorită prezenței frecării, procesele de difuzie în gaze și lichide, procesele de amestecare a gazelor în prezența unei diferențe de presiune inițiale etc. Toate procesele reale sunt ireversibile, dar pot aborda procese reversibile închise arbitrar. Procesele reversibile sunt idealizări ale proceselor reale. Prima lege a termodinamicii nu poate distinge procesele reversibile de cele ireversibile. Pur și simplu necesită un anumit echilibru energetic din procesul termodinamic și nu spune nimic despre dacă un astfel de proces este posibil sau nu. Direcția proceselor care apar spontan stabilește a doua lege a termodinamicii. Fizicianul german R. Clausius a formulat a doua lege a termodinamicii: Un proces este imposibil, al cărui singur rezultat ar fi transferul de energie prin transfer de căldură de la un corp cu o temperatură scăzută la un corp cu o temperatură mai mare. A doua lege a termodinamicii este direct legată de ireversibilitatea proceselor termice reale. Energia mișcării termice a moleculelor este diferită calitativ de toate celelalte tipuri de energie - mecanică, electrică, chimică etc. Energia de orice fel, cu excepția energiei mișcării termice a moleculelor, se poate transforma complet în orice alt tip de energie, inclusiv energia mișcării termice. Acesta din urmă poate experimenta transformarea în orice alt tip de energie doar parțial. Prin urmare, orice proces fizic în care orice tip de energie este convertit în energia mișcării termice a moleculelor este un proces ireversibil, adică nu poate fi efectuat complet în direcția opusă. O proprietate comună a tuturor proceselor ireversibile este că ele apar într-un sistem de neechilibru termodinamic și ca rezultat al acestor procese un sistem închis se apropie de o stare de echilibru termodinamic. Pe baza celei de-a doua legi a termodinamicii se pot demonstra următoarele afirmații, care se numesc teoremele lui Carnot:

Eficiența unui motor termic care funcționează la o anumită temperatură de încălzire și mai rece nu poate fi mai mare decât eficiența unei mașini care funcționează pe un ciclu Carnot reversibil la aceleași temperaturi de încălzire și mai scăzute.
Eficiența unui motor termic care funcționează conform ciclului Carnot nu depinde de tipul de fluid de lucru, ci doar de temperaturile încălzitorului și frigiderului.

2 . Reacții nucleare: legi de conservare în reacțiile nucleare; reacții nucleare în lanț; energie nucleară; reacții termonucleare.

Reacții nucleare

În timpul interacțiunilor, nucleii atomici suferă transformări care sunt însoțite de o creștere sau scădere a energiei cinetice a particulelor care participă la ele.

Reacțiile nucleare apar atunci când particulele se apropie de nucleu și cad în sfera de acțiune forte nucleare. Particulele încărcate asemănătoare se resping reciproc. Prin urmare, apropierea particulelor încărcate pozitiv de nuclee (sau nuclee între ele) este posibilă dacă acestor particule (sau nuclee) li se oferă o energie cinetică mare (de exemplu, protoni, nuclee de deuteriu - deutroni, particule a și alte nuclee folosind acceleratori ai particulelor elementare de ioni) .

Prima reacție nucleară pe protoni rapizi a fost efectuată în 1932. A fost posibilă împărțirea litiului în particule a:

Randamentul energetic al reacțiilor nucleare., unde t p, t p, s sunt valori constante

În această reacție, energia de legare specifică din nucleele de heliu este mai mare decât energia de legare specifică din nucleul de litiu. Prin urmare, o parte din energia internă a nucleului de litiu este convertită în energia cinetică a particulelor a zburătoare.

O modificare a energiei de legare a nucleelor înseamnă că energia totală de repaus a particulelor și nucleelor implicate în reacții nu rămâne neschimbată. La urma urmei, energia de repaus a nucleului M I, conform formulei, este direct exprimată prin energia de legare. În conformitate cu legea conservării energiei, modificarea energiei cinetice în procesul de dezintegrare este egală cu modificarea energiei de repaus a nucleelor și particulelor implicate în reacție.

Randamentul energetic al unei reacții nucleare este diferența dintre energiile de repaus ale nucleelor și particulelor înainte și după reacție. Conform celor spuse mai devreme, randamentul energetic al unei reacții nucleare este, de asemenea, egal cu modificarea energiei cinetice a particulelor care participă la reacție.

Reacții nucleare asupra neutronilor.

Descoperirea neutronului a reprezentat un punct de cotitură în studiul reacțiilor nucleare. Deoarece neutronii sunt lipsiți de sarcină, ei pătrund liber în nucleele atomice și provoacă modificările acestora.

De exemplu, se observă următoarea reacție:

Enrico Fermi a fost primul care a studiat reacțiile cauzate de neutroni. El a descoperit că transformările nucleare sunt cauzate nu numai de neutroni rapizi, ci și de neutroni.

Reacțiile în care intră nucleele atomice sunt foarte diverse. Neutronii nu sunt respinși de nuclee și, prin urmare, sunt deosebit de eficienți în a provoca transformări lente ale nucleelor.

reacții termonucleare schimbarea apelului nuclee atomice când interacționați cu particule elementare sau unul cu altul.

3. Sarcina experimentală: „Măsurarea accelerației cădere liberă folosind un pendul matematic.

Tema lecției: ireversibilitatea proceselor din natură. Conceptul celei de-a doua legi a termodinamicii.

Scopul lecției:

1) Arătați ireversibilitatea proceselor din natură, formați o idee a celei de-a doua legi a termodinamicii;

2) Dezvoltați o idee despre structura integrală a lumii înconjurătoare;

3) Dezvoltați capacitatea de a lucra independent.

În timpul orelor:

Actualizarea cunoștințelor de bază ale studenților:

Sarcini de testare pentru repetiție (studiu frontal)

1. Energia internă a unui gaz ideal depinde de:

A) pe masa gazului și presiunea. B) asupra presiunii gazului C) asupra masei gazului. D) asupra volumului de gaz. E) la temperatura gazului.

2. Formula de calcul a energiei interne a unui gaz ideal monoatomic

DAR). LA) DIN)
. D)
. e) .

3. Când are loc un proces izoterm, valoarea egală cu zero este

A) A'. B) A. C) ΔU. D) Î. E) PV.

4. La presiune constantă 10 5 Pa gaz a făcut 10 lucrări 4 J. Volumul gazului în același timp

A) crescut cu 1 m 3 . B) mărită cu 10 m 3 . C) crescut cu 0,1 m 3 . D) a scăzut cu 0,1 m 3 .

E) a scăzut cu 10 m 3 .

5. Când are loc un proces izocor, valoarea egală cu zero este

A) ΔU. B) PV. C) A. D) Q. E) U.

6. Presiune constantăR volumul gazului crescut cu ΔV . O valoare egală cu produsulR ·Δ V in acest caz se numeste:

A) munca efectuată asupra gazului de către forțele externe. C) energia internă a gazului.

C) cantitatea de căldură primită de gaz. D) munca efectuată de gaz. E) cantitatea de căldură degajată de gaz.

7. Lucrul în timpul expansiunii adiabatice a unui gaz ideal se realizează datorită

A) o scădere a energiei interne a gazului. C) cantitatea de căldură primită.

C) modificări de presiune. D) cantitatea dată de căldură. E) creşterea energiei interne a gazului.

8. Când are loc un proces adiabatic, valoarea egală cu zero este

A) A". B) Q. C) A. D) U. E) ΔU.

9. În timpul expansiunii izoterme, 10 J de căldură au fost transmise unui gaz ideal. Munca făcută de gaz este

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

10. La transferul cantității de căldură către gaz 2 10 4 J a lucrat egal cu 5 10 4 J. Apoi schimbarea energiei interne

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. Dacă modificarea energiei interne a fost de 20 kJ, iar munca efectuată de gaz împotriva forțelor externe este de 12 kJ, atunci cantitatea de căldură a fost transferată gazului

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

12. Într-un proces izoterm, cantitatea de căldură transferată gazului este de 2 10 8 J. Modificarea energiei interne a gazului este

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

13. Formula primei legi a termodinamicii pentru un proces izoterm (A este munca gazului, A´ este munca forțelor externe)

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

14. Un proces în care gazul nu funcționează

a) izobar. B) izotermă. C) adiabatic. D) izocoric. E) fierbere.

15. Prima lege a termodinamicii a fost descoperită pe baza

A) A doua lege a lui Newton. C) Prima lege a lui Newton. C) legea conservării energiei.

D) legea conservării impulsului. E) legea interrelației dintre masă și energie.

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

II . Învățarea de materiale noi

Cu mult înainte de descoperirea legii conservării energiei, Academia Franceză de Științe a decis în 1775 să nu ia în considerare proiecte pentru mașinile cu mișcare perpetuă de primul fel. Decizii similare au fost luate ulterior de instituții științifice de top din alte țări.

O mașină cu mișcare perpetuă de primul fel este înțeleasă ca un dispozitiv care ar putea face o cantitate nelimitată de muncă fără a consuma combustibil sau alte materiale, adică fără a consuma energie. Au fost create o mulțime de astfel de proiecte. Dar toate nu au funcționat pentru totdeauna, acesta este ceea ce a condus la opinia că punctul aici nu este în imperfecțiunea structurilor individuale, ci într-un model general.

Conform legii I a termodinamicii, dacă Q = 0, atunci se poate lucra din cauza pierderii de energie internă. Dacă rezerva de energie este epuizată, motorul nu mai funcționează. Dacă sistemul este izolat și nu se lucrează, atunci energia internă rămâne neschimbată.

Legea conservării energiei spune că energia internă în oricare dintre transformările sale rămâne neschimbată, dar nu spune nimic despre ce fel de transformări sunt posibile. Între timp, multe procese care sunt destul de admisibile din punctul de vedere al legii conservării nu au loc efectiv.

Un corp mai fierbinte se răcește de la sine, transferându-și energia către corpurile mai reci. Procesul invers de transfer de la un corp mai rece la unul mai fierbinte nu contravine legii conservării, dar nu are loc. Există multe astfel de exemple. Acest lucru sugerează că procesele din natură au o anumită direcție, nu așa cum se reflectă în prima lege a termodinamicii. Toate procesele din natură sunt ireversibile (îmbătrânirea organismelor).

A doua lege a termodinamicii indică direcția posibilelor transformări energetice și exprimă astfel ireversibilitatea proceselor din natură. A fost stabilit prin rezumarea experienței.

Omul de știință german R. Clausius a formulat-o astfel:

Este imposibil să transferați căldură de la un sistem mai rece la unul mai cald decât dacă există schimbări simultane în ambele sisteme sau în corpurile înconjurătoare.

Omul de știință englez W. Kelvin a formulat astfel:

Este imposibil să se efectueze periodic un astfel de proces, al cărui singur rezultat ar fi primirea lucrărilor din cauza căldurii preluate dintr-o singură sursă.

Cu alte cuvinte, niciun motor termic nu poate avea o eficiență egală cu unul.

Formularea lui Kelvin a celei de-a doua legi permite ca această lege să fie exprimată ca o afirmație. Este imposibil să construiești o mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel, adică să creezi un motor care funcționează prin răcirea oricărui corp.

O mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel nu încalcă legea conservării energiei, dar dacă ar fi posibil, am obține o sursă de muncă aproape nelimitată, scotând-o din oceane și răcindu-le. Totuși, răcirea oceanului, de îndată ce temperatura acestuia scade sub temperatura ambiantă, ar însemna transferul de căldură de la un corp mai rece la unul mai fierbinte, iar un astfel de proces nu poate avea loc.

A doua lege a termodinamicii indică direcția proceselor în natură.

III . Rezolvarea problemelor:

1 sarcină . Găsiți schimbarea energiei interne apa fierbinte capacitate 2 m3 la temperatura 90 0 C când este răcit la temperatura camerei (24 0 DIN). C=4,19 kJ/kg*K, ρ=1000kg/m 3

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

2 sarcină. Găsiți modificarea energiei interne a apei atunci când este încălzită într-un fierbător electric până la fierbere.

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

3 sarcină Gazul este într-un vas sub presiune 2,5 10 4 Pa. Când îl informați despre cantitatea de căldură 6 10 4 J se extinde izobar cu 2m 3 . Cât de mult s-a schimbat energia internă? Cum i s-a schimbat temperatura?

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

IV .Intarire (carti cu test pentru 2 optiuni):

Test

1 opțiune

Ce relație este valabilă pentru un proces izobaric într-un gaz?

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

2. Cum se modifică energia internă a unui gaz în timpul expansiunii izoterme a acestuia?

A) este în creștere. B) este în scădere. C) Modificarea energiei interne este zero. D) Modificarea energiei interne poate lua orice valoare.

3. În ce proces termic are loc o schimbare a stării sistemului fără transfer de căldură?

a) izobar. B) izocoric. B) izotermă. D) adiabatic.

4. În procesul de expansiune adiabatică, gazul lucrează egal cu 3 10 10 J. Care este modificarea energiei interne a gazului?

A) ∆U= 3 10 10 J. B) ∆U= - 3 10 10 J. C) ∆U= 0. D) ∆U poate lua orice valoare.

5. Dacă într-un anumit proces căldura furnizată gazului este egală cu munca efectuată de gaz, atunci un astfel de proces este:

a) izobar. B) adiabatic. B) izotermă. D) izocoric.

6. La transferul a 300 J de căldură în gaz, energia sa internă a scăzut cu 100 J. Ce muncă a făcut gazul?

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

Opțiunea 2

Care dintre formulele de mai jos este expresia matematică pentru prima lege a termodinamicii?

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

2. Energia internă a gazului în timpul comprimării izoterme a acestuia:

A) ∆U poate lua orice valoare. B) ∆U= 0 C) ∆U> 0 D) ∆U< 0

3. În ce proces termic nu se modifică energia internă a unui sistem atunci când acesta trece dintr-o stare în alta?

a) izobar. B) În izocoric. B) izotermă. D) În adiabatic

4. În procesul de încălzire izocoră, gazul a primit 15 MJ de căldură. Care este modificarea energiei interne a gazului?

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

5. Dacă într-un anumit proces căldura furnizată gazului este egală cu modificarea energiei sale interne, adică. Q= ∆U, atunci un astfel de proces este:

a) adiabatic. B) izotermă. B) izocoric. D) izobar.

6. Când a transferat 20 kJ de căldură în gaz, a făcut o muncă egală cu 53 kJ. Cum s-a schimbat energia internă a gazului?

A) Creștere cu 73 kJ. B) Scăzut cu 73 kJ. C) Creștere cu 33 kJ. D) Scăzut cu 33 kJ.

Test de autotest

1 opțiune

Opțiunea 2

. v. Teme pentru acasă:

sarcină în caiet (Câtă căldură a fost furnizată heliului dacă munca efectuată de gaz în timpul expansiunii izobare este de 2 kJ? Care este modificarea energiei interne a heliului?),

1 pereche (2 lecții a câte 40 de minute fiecare)

Tip de lecție: lecție complexă de creație.

Obiectivele lecției:

Pentru a se asigura că elevii stăpânesc conceptele de bază pe această temă, înțelegând esența și sensul celei de-a doua legi a termodinamicii.
Să promoveze formarea cunoașterii legilor fizice și influența diferitelor condiții asupra naturii cursului proceselor fizice.
Creați condiții pentru dezvoltarea abilităților intelectuale și a abilităților educaționale generale prin organizație muncă independentă studenți și lucru în grup.

Echipament: calorimetru, cilindru metalic, bila de otel, cutie de nisip umeda, pendul matematic, schema motor tip 2, fise de sarcini pentru grupuri.

În timpul orelor

1. Moment organizatoric.

Raportarea subiectului lecției, sarcinilor și planului de lucru. Formarea de grupuri de lucru ținând cont de particularitățile gândirii.

2.Actualizarea cunoștințelor. Pregătirea pentru etapa principală a cursurilor.

Durată până la 7-8 minute.

Elevii sunt rugați să răspundă la întrebări.

Pe baza răspunsurilor se formulează concluzii.

Care este prima lege a termodinamicii?

Cum se citește legea?

Care sunt limitele de aplicabilitate ale acestei legi? ( Important: legea este valabilă pentru sisteme închise).

Care sunt neajunsurile legii? ( Important: legea nu dă nicio indicaţie asupra direcţiei în care se desfăşoară procesele care satisfac principiul conservării energiei).

Care este valoarea inegală a acelorași cantități de energie de diferite tipuri?

(Important: Tipuri diferite energiile nu sunt echivalente în ceea ce privește capacitatea de a se transforma în alte specii. Energia mecanică poate fi complet transformată în energie internă, de exemplu, energia electrică este internă. Rezervele de energie internă în niciun caz nu pot fi convertite complet în alte tipuri de energie.)

Caracteristicile selectate sunt confirmate de analiza exemplelor.

Dacă sistemul este format din două corpuri cu temperaturi diferite, atunci schimbul de căldură are loc în așa fel încât temperaturile corpurilor să fie egalizate și întregul sistem să ajungă într-o stare de echilibru termic.

Prima lege a termodinamicii nu ar fi încălcată dacă transferul de căldură ar avea loc de la un corp cu o temperatură scăzută la un corp cu o temperatură mai mare, cu condiția ca aportul total de energie să rămână neschimbat.

Experiența de zi cu zi arată că transferul de căldură de la un corp mai rece la unul mai fierbinte nu are loc niciodată de la sine.

O piatră cade de la o anumită înălțime. În acest caz, energia potențială este transformată în energie cinetică, iar apoi mecanică - în energie internă. În acest caz, legea conservării energiei nu este încălcată.

Procesul invers nu ar contrazice prima lege a termodinamicii: o piatră întinsă pe pământ este încălzită prin transferul de căldură din corpurile înconjurătoare, în urma căruia piatra se ridică la o anumită înălțime.

Situația descrisă în natură nu poate fi observată.

3. Organizarea muncii în grup
.

Durata de lucru în grup este de 20-25 de minute.

Sarcină: citiți textul manualului și finalizați sarcinile propuse.

Exercitiul 1. După ce ați studiat materialul de la § 5.8 și 5.9, introduceți conceptele:

Proces ireversibil (dați exemple);

A doua lege a termodinamicii;

Perpetuum mobile de primul fel;

Mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel.

Sarcina 2. Dați exemple de fenomene în care există o ieșire spontană a sistemului din starea de echilibru termodinamic.

Din răspunsul elevului:

Pentru sarcina 1.

O mașină cu mișcare perpetuă de primul fel este un dispozitiv pentru a lucra fără a utiliza o sursă de energie.

(Important: această formulare contrazice prima lege a termodinamicii.)

O mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel este un dispozitiv care ar funcționa numai prin obținerea de căldură din mediu.

(Important: Această formulare nu contrazice prima lege a termodinamicii.)

Pentru sarcina 2.

Un exemplu de încălcare a celei de-a doua legi a termodinamicii în sisteme suficient de mici este mișcarea browniană, în care o particulă suspendată într-un lichid primește energie cinetică de la moleculele mediului, deși temperatura mediului nu este mai mare decât temperatura spălarea particulei browniene.

Exercițiu. Studiați materialul § 5.8 și 5.9. Luați în considerare următoarele situații și explicați ce se întâmplă.

Grupul folosește echipament de laborator pentru a finaliza sarcina.

Greutatea pe coardă oscilează.

Ce s-ar schimba dacă vibrațiile ar fi făcute în vid?

Vasul este împărțit printr-un despărțitor. Prima jumătate conține gaz, a doua jumătate conține vid. Ce se întâmplă dacă bariera este îndepărtată? Gazul se va întoarce spontan după ceva timp la jumătatea 1?

în)

Comparați cele două situații și trageți o concluzie.

1. Două corpuri aduse în contact. Specificați direcția transferului de căldură. Se poate transfera căldura spontan în direcția opusă?

2. O bucată de permanganat de potasiu a fost coborâtă într-un pahar cu apă. După ceva timp, s-a obținut o soluție colorată uniform. Se poate forma din nou o bucată de permanganat de potasiu?

Exercițiu. Studiați materialul § 5.8 și 5.9. Construiți o diagramă a unui dispozitiv în care postulatul Clausius este încălcat; Kelvin. Demonstrați echivalența diferitelor formulări ale legii II a termodinamicii.

La răspunsul elevilor.

Raționamentul asumat al elevilor pentru a demonstra echivalența diferitelor formulări:

1. Să presupunem că postulatul lui Kelvin este nedrept.

Atunci este posibil să se efectueze un astfel de proces, al cărui singur rezultat ar fi efectuarea muncii A datorită energiei Q, luată dintr-o singură sursă cu temperatura T.

Acest lucru ar putea fi complet transformat din nou prin frecare în căldură transferată unui corp a cărui temperatură este mai mare decât T.

Singurul rezultat al unui astfel de proces compus ar fi transferul de căldură de la un corp cu temperatura T către un corp cu o temperatură mai mare. Dar aceasta ar contrazice postulatul lui Clausius.

Concluzie: postulatul lui Clausius nu poate fi adevărat dacă postulatul lui Kelvin (Thomson) este greșit.

2. Să presupunem că postulatul lui Clausius este nedrept, că nici postulatul lui Kelvin nu poate fi îndeplinit.

Să construim un motor termic obișnuit (partea stângă a figurii). Deoarece postulatul Clausius se presupune a fi incorect, este posibil să se efectueze un proces al cărui singur rezultat este trecerea lui Q 2 de la frigider la încălzitor (partea dreaptă a figurii). Ca urmare, încălzitorul va da căldură Q 1 corpului de lucru al mașinii și va primi căldură Q 2 în timpul unui proces care contrazice postulatul lui Clausius, astfel încât, în general, va degaja o cantitate de căldură egală cu Q 1 - Q 2. Aparatul transformă această cantitate de căldură în lucru.

În frigider în ansamblu, nu apar deloc modificări, deoarece. el dă și primește același Q 2.

Combinând un motor termic și un proces care contrazice postulatul Clausius, se poate obține un proces care contrazice postulatul Kelvin.

Astfel, fie ambele postulate sunt adevărate, fie ambele postulate sunt false și în acest sens sunt echivalente.

Un ciclu este reversibil dacă constă din procese reversibile, adică acelea care pot fi efectuate în orice direcție prin același lanț de stări de echilibru.

a) Procesele adiabatice sunt reversibile dacă sunt efectuate suficient de lent.

b) Procesele izoterme sunt singurele procese cu schimb de căldură care pot fi realizate într-o manieră reversibilă.

În orice alt proces, temperatura fluidului de lucru se modifică!

4. Prezentarea rezultatelor muncii de către grupuri.

Timpul total pentru prezentarea rezultatelor muncii grupelor este de 20-25 de minute.

Fiecare grupă prezintă clasei rezultatele muncii lor, răspunde la întrebările copiilor și ale profesorului clarificând, aprofundând înțelegerea materialului.

Pe parcursul comunicării grupului, toți studenții întocmesc un rezumat al tezei în caiete, care include concepte de bază, prevederi, modele, diagrame și alte note importante pentru înțelegerea subiectului.

5. Consolidarea cunoștințelor dobândite.

Timp de lucru - 8-10 minute.

Atenției elevilor i se oferă un mesaj din partea elevului cu privire la sarcina principală.

Sarcină: Explicați ireversibilitatea proceselor termice reale din punctul de vedere al mecanicii statistice.

Raspunde la teze:

Luați în considerare, din punctul de vedere al MKT, un model de mașină cu mișcare „perpetuă” de al doilea fel.

Funcționarea motorului

Gazul se adună spontan în jumătatea stângă a cilindrului.
Pistonul este împins aproape de gaz. În acest caz, forțele externe nu funcționează, deoarece gazul colectat în jumătatea stângă nu exercită nicio presiune asupra pistonului.
Aducem căldură gazului și îl forțăm să se extindă izotermic până la volumul inițial. În acest caz, gazul efectuează lucrări datorită căldurii furnizate.
După ce pistonul se deplasează în poziția extremă dreaptă, este necesar să așteptăm până când gazul se adună din nou în mod spontan în jumătatea stângă a vasului și apoi repetăm totul din nou.

1. Abordarea termodinamică nu explică natura ireversibilității proceselor reale în sistemele macroscopice.

2. Abordarea molecular-cinetică ne permite să analizăm cauzele ireversibilității.

Rezultat: S-a dovedit a fi o mașină care funcționează periodic, care funcționează numai prin primirea căldurii din mediu.

(MKT vă permite să explicați de ce un astfel de dispozitiv nu ar funcționa.

Elevii sunt încurajați să reflecteze la această întrebare.)

Acum devine posibil să explicăm ce se înțelege prin conceptul de proces ireversibil: un proces este ireversibil dacă procesul invers nu are loc aproape niciodată.

Materialul luat în considerare va deveni baza studierii materialului urmatoarea lectie pe tema „Motoare termice”

6. Lucrari de verificare.

Timp de lucru - 5-7 minute.

1. Când un corp primește căldură prin efectuarea unui lucru mecanic, aceasta înseamnă transformarea ireversibilă a energiei cinetice a unei mișcări macroscopice ordonate în energia cinetică a mișcării haotice a moleculelor.

2. Transformarea căldurii în muncă înseamnă transformarea energiei mișcării aleatorii a moleculelor în energia mișcării ordonate a unui corp macroscopic.

7. Rezumând lecția.

Evaluarea succesului sarcinilor stabilite la începutul lecției.

Evaluarea grupurilor pentru lucru.