Многие механические процессы бывают обратимыми, т.е. могут протекать в обоих направлениях во времени. Хорошим примером обратного процесса является колебания груза на нити или на пружине, когда амплитуда колебаний практически не меняется. Если заснять этот процесс на кинопленку и при просмотре крутить "кино наоборот», зрители не заметят «обращения времени» и будут считать, что на-рифмоваться реальный процесс.

Однако, далеко не все механические процессы обратимы. Например, если толкнуть брусок, лежащий на столе, то он некоторое время будет двигаться по столу, набирая скорость, а затем остановится. Этот процесс необратим, т.е. он может протекать только в одном направлении во времени. В этом случае «кино наоборот» будет похоже на чудо: брусок, лежащий на столе, вдруг сам сдвинется с места и начнет скользить по столу, набирая скорость.

Почему же такого на самом деле не бывает? Может, такое поведение бруска противоречит закону сохранения энергии: откуда брусок получал бы энергию для разгона? Докажем, что закон сохранения энергии в таком мысленном процессе не нарушается. Если измерять в ходе процесса температуры бруска и стола, мы увидим, что при «настоящем» движении брусок остановился, но температуры бруска и стола несколько увеличились, то есть вследствие трения механическая энергия перешла во внутреннюю. А что будет в «кино наоборот»? Брусок, лежащий на столе, приходит в движение и движется со скоростью, которая увеличивается, но при этом температуры стола и бруска уменьшаются. Поэтому в таком мысленном процессе противоречия в законе сохранения энергии нет: внутренняя энергия переходит в механическую и полная энергия сохраняется.

Пример необратимого процесса в тепловых явлениях - теплопередача. Если привести в контакт два тела с разной температурой, их температуры начнут выравниваться. Никто и никогда не наблюдал, чтобы при теплопередаче горячее тело становилось бы еще горячее, а холодное охлаждалось до более низкой температуры. Но при таком нереальном процессе закон сохранения энергии тоже не нарушался бы: ведь суммарная внутренняя энергия обоих тел оставалась бы неизменной.

Итак, мы видим, что закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) не определяет направления процесса во времени.

Второй закон термодинамики

Закон, определяющий направление процессов во времени, называется вторым законом термодинамики. Его впервые сформулировал Карно. Мы приведем формулировки этого закона, дал немецкий физик Клаузиус в середине 19-го века.

В этой формулировке второй закон термодинамики гласит, что невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача теплоты от холодного тела к горячему.

Очевидным следствием второго закона термодинамики является то, что при теплопередаче теплота всегда переходит от горячего тела к холодному. А вот менее очевидный, но не менее важный вывод: механическая работа не может происходить за счет охлаждения наиболее холодного тела системы. Чтобы доказать это, будем рассуждать от противного. Допустим, у нас есть два тела - холодное и горячее. Нам удалось сконструировать двигатель, который осуществляет работу только за счет уменьшения температуры холодного тела. Используем эту работу для разогрева горячего тела. Например, если это газ, - сожмем его. Тогда получается, что единственным результатом всех процессов будет передача теплоты от холодного тела к горячему, а это противоречит второму закону термодинамики. Двигатель, который мог бы работать только за счет охлаждения холодного тела, называют «вечным двигателем второго рода». Если бы такой двигатель можно было построить, это решило бы все энергетические проблемы человечества. Достаточно было бы охлаждать воду мирового океана. Однако, как мы видим, второй закон термодинамики утверждает, что такой двигатель невозможен (хотя его существование и не противоречит закону сохранения энергии).


Загрузка...

Яндекс.Метрика Google+