Термодинамические процессы в природе и их необратимость. Необратимость процессов в природе — Гипермаркет знаний
Обратимые и необратимые процессы , пути изменения состояния термодинамической системы.
Процесс называют обратимым , если он допускает возвращение рассматриваемой системы из конечного состояния в исходное через ту же последовательность промежуточных состояний, что и в прямом процессе, но проходимую в обратном порядке. При этом в исходное состояние возвращается не только система, но и среда. Обратимый процесс возможен, если и в системе, и в окружающей среде он протекает равновесно. При этом предполагается, что равновесие существует между отдельными частями рассматриваемой системы и на границе с окружающей средой. Обратимый процесс - идеализированный случай, достижимый лишь при бесконечно медленном изменении термодинамических параметров. Скорость установления равновесия должна быть больше, чем скорость рассматриваемого процесса.
Если невозможно найти способ вернуть и систему, и тела в окружающей среде в исходное состояние, процесс изменения состояния системы называют необратимым .
Необратимые процессы могут протекать самопроизвольно только в одном направлении; таковы диффузия,теплопроводность, вязкое течение и другое. Для химической реакции применяют понятия термодинамической и кинетической обратимости, которые совпадают только в непосредственной близости к состоянию равновесия На практике нередко встречаются системы, находящиеся в частичном равновесии, т.е. в равновесии по отношению к определенного рода процессам, тогда как в целом система неравновесна. Например, образец закаленной стали обладает пространственной неоднородностью и является системой, неравновесной по отношению к диффузионным процессам, однако в этом образце могут происходить равновесные циклы механической деформации, поскольку времена релаксации диффузии и деформации в твердых телах отличаются на десятки порядков. Следовательно, процессы с относительно большим временем релаксации являются кинетически заторможенными и могут не приниматься во внимание при термодинамич. анализе более быстрых процессов.
Общее заключение о необратимости процессов в природе
. Переход тепла от горячего тела к холодному и механической энергии во внутреннюю - это примеры наиболее типичных необратимых процессов. Число подобных примеров можно увеличивать практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законетермодинамики. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении
. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.
Важность этого закона в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе. Если бы тепло в каких-либо случаях могло самопроизвольно передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимыми и другие процессы. Все процессы самопроизвольно протекают в одном определенном направлении. Они необратимы. Тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия макроскопических тел - во внутреннюю.
Направление процессов в природе указывается вторым законом термодинамики.
Устранение из термодинамики "закона" возрастания энтропии или даже понятия энтропии не устранит из нее посылок, на основе которых возможно получение противоречащих диалектическому материализму следствий. Существует еще одно сомнительное с точки зрения диалектического материализма положение термодинамики -- утверждение, будто неравновесные процессы, протекающие в природе, являются необратимыми. Согласно определению, "любой процесс, переводящий изолированную систему из состояния 1 в состояние 2, есть процесс необратимый, если процесс, имеющий единственным своим результатом возвращение системы из состояния 2 в 1, невозможен" 3 .
Допущение необратимости природных процессов в сочетании с пониманием того, что совокупность всех природных процессов есть движение материи (Вселенной), влечет заключение о необратимой эволюции Вселенной. Если допустить, что "невозможно каким бы то ни было способом сполна обратить процесс, при котором тепло возникает благодаря трению" 4 , что "фактически в природе нет процессов, которые бы не сопровождались трением" 1 , то нельзя избежать заключения о постоянном накоплении во Вселенной тепла и движении Вселенной к тепловой смерти.
Соответственно, для опровержения вывода о необратимой эволюции материи необходимо доказать, что процессы превращения форм движения и материи не являются необратимыми. А для опровержения вывода о грядущем превращении всех форм энергии в тепло необходимо опровергнуть представление, будто необратимым является процесс образования тепла путем трения. Это несложно сделать, если учитывать одно обстоятельство, которое касается сущности термодинамической необратимости.
"Из того, что процесс сам по себе не идет в обратном направлении, еще не следует, что он необратим".
То, что какой-то процесс является необратимым (обратимым), не может быть очевидным. Поэтому в курсах термодинамики приводят доказательства существования необратимых процессов. Доказательство состоит из двух частей. Сначала доказывают необратимость ряда процессов (образования тепла путем трения, расширения газа в пустоту, перехода тепла от нагретого тела к холодному, смешения газов), основываясь на постулатах Клаузиуса либо Томсона-Планка, а затем делают заключение:
"Так как фактически в природе нет процессов, которые бы не сопровождались трением или переходом тепла благодаря теплопроводности, то все природные процессы в действительности необратимы...".
Отсюда следует вывод, все процессы превращения конечных форм движения материи во Вселенной являются непосредственно необратимыми, поскольку являются процессами развития. Но при этом Вселенная в целом не меняется -- это и есть мировой круговорот.
Заключение
В заключении подведем некоторые выводы:
Логическими основаниями гипотезы тепловой смерти Вселенной являются:
Ложное положение о невозможности полного превращения теплоты в другие формы движения;
Ложное положение о невозможности превращения теплоты в другие формы движения при постоянной температуре и необходимости разности температур для такого превращения;
Ложное положение о деградации (потере способности к дальнейшим превращениям) энергии в природных процессах;
Ложное положение о "второсортности" теплоты как вида энергии, ее меньшей, по сравнению с другими формами движения, способности к превращению в другие формы движения (виды энергии);
Ложное положение о неизбежном переходе всякой изолированной системы в равновесие;
Не имеющий исключений "закон" возрастания энтропии, который не позволяет сделать никакого заключения о естественных процессах, кроме того, что во всех этих процессах энтропия возрастает;
Гипотетическое положение о необратимости процессов преобразования форм движения, протекающих в природе.
Также хочется сказать, что Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем - это развивающаяся Вселенная.
Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.
Нагретые тела сами собой остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но на самом деле не происходит.
Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис. 5.11; 1, 2, 3, 4 - последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергия убывает, а температура маятника и окружающего воздуха слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдался. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом упорядоченное движение тела как целого превращается в неупорядоченное тепловое движение слагающих его молекул.
Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.
Уточним понятие необратимого процесса. Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Так, в примере с маятником можно вновь увеличить амплитуду колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение амплитуды возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего толчок рукой. Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию, и т. д.
Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнения движения макроскопических тел изменяются с изменением знака времени. Они, как говорят, не инвариантны при преобразовании t ® -t. Ускорение не меняет знака при t ® -t. Силы, зависящие от расстояний, также не меняют знака. Знак при замене t на -t меняется у скорости. Именно поэтому при совершении работы силами трения, зависящими от скорости, кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю.
Хорошей иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, падение хрустальной вазы со стола будет выглядеть следующим образом. Лежащие на полу осколки вазы устремляются друг к другу и, соединяясь, образуют целую вазу. Затем ваза возносится вверх и вот уже спокойно стоит на столе. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. Нелепость происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не допускаем возможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как восстановление вазы из осколков, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики, который мы сформулируем в следующем параграфе.
Процессы в природе необратимы. Наиболее типичными необратимыми процессами являются:
1) переход теплоты, от горячего тела к холодному;
2) переход механической энергии во внутреннюю.
- 1. Необратимость процессов в природе Выполнила: ученица 10 «Б» класса Андронова Анна
- 2. Необратимымназывается процесс, которыйнельзя провести впротивоположном направлениичерез все те же самыепромежуточные состояния.
- 3. Закон сохранения энергии не запрещает, процессы, которые на опыте не происходят: - нагревание более нагретого телаболее холодным; - самопроизвольное раскачиваниемаятника из состояния покоя; - собирание песка в камень и т.д.Процессы в природе имеют определенную направленность. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы.
- 4. Примеры необратимых процессов При диффузии выравнивание концентрацийпроисходит самопроизвольно. Обратный жепроцесс сам по себе никогда не пойдет:никогда самопроизвольно смесь газов,например, не разделится на составляющиеее компоненты. Теплопроводность Необратимым является также процесс превращениямеханической энергии во внутреннюю при неупругом удареили при трении.
- 5. Приведем другой примерКолебания маятника, выведенногоиз положения равновесия.За счет работы сил трения механическаяэнергия маятника убывает, атемпература маятника иокружающего воздуха (а значит, и их внутренняя энергия) слегка повышается. Энергетическидопустим и обратный процесс,когда амплитуда колебаниймаятника увеличивается засчет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда ненаблюдается. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом энергия упорядоченного движения тела как целого превращается в энергию неупорядоченного теплового движения слагающих его молекул.
- 6. "Стрела времени" и проблеманеобратимости в естествознанииОдной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости реальных процессов в природе.Почти все реальные процессы в природы являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от прошлого к будущему. Это свойствовремени английский физик и астроном А. Эддингтонобразно назвал "стрелой времени".
- 7. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетическихпревращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.
- 8. Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах. Формулировка У. Кельвина: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.
- 9. Клаузиус Рудольф (1822 г. –1888 г.)Клаузиусу принадлежат основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты. Работы Клаузиуса способствовали введению статистических методов в физику. Клаузиус внѐс важный вклад в теорию электролиза Теоретически обосновал закон Джоуля – Ленца, разработал теорию поляризации диэлектриков, на основе которой установил соотношение между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью.
- 10. У.Кельвин (1824-1907)Уильям Кельвин является автором многих теоретических работ по физике, он изучал явления электрического тока, динамической геологии. Вместе с Джеймсом Джоулем Кельвин проводил опыты над охлаждением газов и сформулировал теорию действительных газов. Его имя получила абсолютная термодинамическая температурная шкала.
- 11. Проблема необратимости процессов в природеПо существу все процессы в макросистемах являются необратимыми. Возникает принципиальный вопрос: в чем причина необратимости? Это выглядит особенно странно, если учесть, что все законы механики обратимы во времени. И тем не менее, никто не видел, чтобы, например, разбившаяся ваза самопроизвольно восстановилась из осколков.Этот процесс можно наблюдать, еслипредварительно засняв на пленку,просмотреть еѐ в обратном направлении, но никак не в действительности.Загадочными становятся и запреты,устанавливаемые вторым началомтермодинамики.Решение этой сложной проблемы пришлос открытием новой термодинамической величины –энтропии -и раскрытием еѐфизического смысла.
- 12. Энтропия- мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике - мера вероятности осуществления какого- либо макроскопического состояния.
- 13. Реальность необратимых процессовМногие часто наблюдаемые процессы являются необратимыми: попробуйте бросить камень в воду - Вы всегдаувидите расходящиеся от места его попадания в воду концентрическиеокружности-волны и никогда – сходящиеся к этому месту. В химии примеры необратимых процессов – это реакции, идущие всегда с повышением энтропии.В биологии –жизнь всегда начинается с рождения, продолжаетсяюностью, зрелостью и старостью и заканчивается смертью,и никогда не происходит не только обратного развития живыхорганизмов, но и даже остановки этого процесса.В астрономии – это звезды, постепенно угасающиеили подверженные гравитационному коллапсу.
- 14. Спасибо за внимание!
