Processus thermodynamiques dans la nature et leur irréversibilité. Irréversibilité des processus dans la nature - Knowledge Hypermarket

Processus réversibles et irréversibles, façons de changer l'état d'un système thermodynamique.

Le processus est dit réversible., s'il permet au système considéré de revenir de l'état final à l'état initial par la même séquence d'états intermédiaires que dans processus direct, mais dans l'ordre inverse. Dans ce cas, non seulement le système, mais aussi l'environnement revient à son état d'origine. Un processus réversible est possible si, à la fois dans le système et dans l'environnement, il se déroule en équilibre. On suppose qu'un équilibre existe entre les différentes parties du système considéré et à la frontière avec l'environnement. Un processus réversible est un cas idéalisé, réalisable uniquement avec un changement infiniment lent des paramètres thermodynamiques. La vitesse à laquelle l'équilibre s'établit doit être supérieure à la vitesse du processus considéré.

S'il est impossible de trouver un moyen de ramener à la fois le système et les corps de l'environnement à leur état d'origine, le processus de modification de l'état du système est appelé irréversible.

processus irréversibles peut couler spontanément dans une seule direction; tels que la diffusion, la conductivité thermique, l'écoulement visqueux, etc. Pour réaction chimique ils utilisent les concepts de réversibilité thermodynamique et cinétique, qui ne coïncident qu'à proximité immédiate de l'état d'équilibre.En pratique, les systèmes se trouvent souvent en équilibre partiel, c'est-à-dire en équilibre par rapport à un certain type de processus, alors que le système dans son ensemble n'est pas en équilibre. Par exemple, un échantillon d'acier trempé a une inhomogénéité spatiale et est un système qui n'est pas en équilibre par rapport aux processus de diffusion ; cependant, des cycles d'équilibre de déformation mécanique peuvent se produire dans cet échantillon, car les temps de relaxation de la diffusion et de la déformation dans solides diffèrent par des dizaines de commandes. Par conséquent, les processus avec un temps de relaxation relativement long sont cinétiquement retardés et peuvent ne pas être pris en compte lorsqu'ils sont thermodynamiques. analyse des processus plus rapides.

Conclusion générale sur l'irréversibilité des processus dans la nature. Le transfert de chaleur d'un corps chaud à un corps froid et d'énergie mécanique en énergie interne sont des exemples des processus irréversibles les plus typiques. Le nombre de ces exemples peut être augmenté presque indéfiniment. Tous disent que les processus dans la nature ont une certaine direction, qui ne se reflète en aucune façon dans la première loi de la thermodynamique. Tous les processus macroscopiques dans la nature ne se déroulent que dans une direction spécifique.. Dans le sens opposé, ils ne peuvent pas s'écouler spontanément. Tous les processus de la nature sont irréversibles, et les plus tragiques d'entre eux sont le vieillissement et la mort des organismes.
L'importance de cette loi est qu'elle peut être utilisée pour conclure que non seulement le processus de transfert de chaleur est irréversible, mais aussi d'autres processus dans la nature. Si de toute façon la chaleur pouvait être transférée spontanément des corps froids aux corps chauds, cela permettrait de rendre réversibles d'autres processus. Tous les processus se déroulent spontanément dans une direction spécifique. Ils sont irréversibles. La chaleur passe toujours d'un corps chaud à un corps froid, et l'énergie mécanique des corps macroscopiques - dans le corps interne.
La direction des processus dans la nature est indiquée par la deuxième loi de la thermodynamique.

Supprimer de la thermodynamique la «loi» de l'augmentation de l'entropie, voire le concept d'entropie, n'en éliminera pas les prémisses, à partir desquelles il est possible d'obtenir des conséquences qui contredisent le matérialisme dialectique. Il y a un autre douteux du point de vue matérialisme dialectique la position de la thermodynamique est l'affirmation que les processus de non-équilibre se produisant dans la nature sont irréversibles. Selon la définition, "tout processus qui fait passer un système isolé de l'état 1 à l'état 2 est un processus irréversible si le processus dont le seul résultat est le retour du système de l'état 2 à l'état 1 est impossible" 3 .

L'hypothèse de l'irréversibilité des processus naturels, combinée à la compréhension que la totalité de tous les processus naturels est le mouvement de la matière (l'Univers), conduit à la conclusion sur l'évolution irréversible de l'Univers. Si nous supposons qu'"il est impossible d'inverser complètement le processus dans lequel la chaleur se produit en raison du frottement" 4 , qu '"en fait, il n'y a aucun processus dans la nature qui ne serait pas accompagné de frottement" 1 , alors nous ne pouvons pas éviter la conclusion sur l'accumulation constante dans l'Univers de la chaleur et le mouvement de l'Univers vers la mort par la chaleur.

Par conséquent, pour réfuter la conclusion sur l'évolution irréversible de la matière, il est nécessaire de prouver que les processus de transformation des formes du mouvement et de la matière ne sont pas irréversibles. Et pour réfuter la conclusion sur la transformation future de toutes les formes d'énergie en chaleur, il est nécessaire de réfuter l'idée que le processus de génération de chaleur par frottement est irréversible. Ce n'est pas difficile à faire si l'on tient compte d'une circonstance qui concerne l'essence de l'irréversibilité thermodynamique.

"Du fait que le processus lui-même ne va pas en sens inverse, il ne s'ensuit pas qu'il soit irréversible."

Qu'un processus soit irréversible (réversible) ne peut pas être évident. Par conséquent, dans les cours de thermodynamique, on met en évidence l'existence de processus irréversibles. La preuve se compose de deux parties. Premièrement, ils prouvent l'irréversibilité d'un certain nombre de processus (la formation de chaleur par frottement, la dilatation de gaz dans un vide, le transfert de chaleur d'un corps chauffé à un corps froid, le mélange de gaz), sur la base des postulats de Clausius ou de Thomson-Planck, puis ils concluent :

"Puisqu'en fait il n'y a pas de processus dans la nature qui ne s'accompagnerait pas de frottement ou de transfert de chaleur dû à la conduction thermique, alors tous les processus naturels sont en fait irréversibles...".

D'où la conclusion que tous les processus de transformation des formes finales du mouvement de la matière dans l'Univers sont directement irréversibles, puisqu'il s'agit de processus de développement. Mais en même temps, l'Univers dans son ensemble ne change pas - c'est le cycle mondial.

Conclusion

En conclusion, tirons quelques conclusions :

Les fondements logiques de l'hypothèse de la mort thermique de l'Univers sont :

Fausse position sur l'impossibilité d'une transformation complète de la chaleur en d'autres formes de mouvement ;

Fausse position sur l'impossibilité de convertir la chaleur en d'autres formes de mouvement à température constante et la nécessité d'une différence de température pour une telle transformation;

Fausse déclaration sur la dégradation (perte de capacité de transformations ultérieures) de l'énergie dans les processus naturels ;

Proposition fausse sur la nature "de seconde classe" de la chaleur en tant que forme d'énergie, c'est moins, en comparaison avec d'autres formes de mouvement, la capacité de se transformer en d'autres formes de mouvement (types d'énergie);

Proposition fausse sur la transition inévitable de tout système isolé vers l'équilibre ;

La "loi" de l'augmentation de l'entropie, qui n'a pas d'exceptions, qui ne permet de tirer aucune conclusion sur les processus naturels, si ce n'est que dans tous ces processus l'entropie augmente ;

Une position hypothétique sur l'irréversibilité des processus de transformation des formes de mouvement se produisant dans la nature.

Je voudrais également dire que le monde dans lequel nous vivons est constitué d'échelles différentes systèmes ouverts, dont le développement se déroule selon un algorithme unique. Cet algorithme est basé sur la capacité d'auto-organisation inhérente à la matière, qui se manifeste aux points critiques du système. Le plus grand système connu de l'homme est l'univers en développement.

La loi de conservation de l'énergie stipule que la quantité d'énergie dans l'une de ses transformations reste inchangée. Mais il ne dit rien sur les transformations énergétiques possibles. Pendant ce temps, de nombreux processus tout à fait admissibles du point de vue de la loi de conservation de l'énergie ne se produisent jamais dans la réalité.

Les corps chauffés se refroidissent d'eux-mêmes, transférant leur énergie aux corps environnants plus froids. Le processus inverse de transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud ne contredit pas la loi de conservation de l'énergie, mais en fait il ne se produit pas.

Un autre exemple. Les oscillations du pendule, sorti de la position d'équilibre, s'amortissent (fig. 5.11 ; 1, 2, 3, 4 - positions successives du pendule aux écarts maximaux par rapport à la position d'équilibre). En raison du travail des forces de frottement, l'énergie mécanique diminue et la température du pendule et de l'air ambiant augmente légèrement. Le processus inverse est également énergétiquement admissible, lorsque l'amplitude des oscillations du pendule augmente en raison du refroidissement du pendule lui-même et environnement. Mais un tel processus n'a jamais été observé. L'énergie mécanique se transforme spontanément en énergie interne, mais pas l'inverse. Dans ce cas, le mouvement ordonné du corps dans son ensemble se transforme en un mouvement thermique désordonné de ses molécules constitutives.

Le nombre de ces exemples peut être augmenté presque indéfiniment. Ils disent tous que les processus dans la nature ont une certaine direction, qui ne se reflète en aucune façon dans la première loi de la thermodynamique. Tous les processus dans la nature ne se déroulent que dans une direction spécifique. Dans le sens opposé, ils ne peuvent pas s'écouler spontanément. Tous les processus de la nature sont irréversibles, et les plus tragiques d'entre eux sont le vieillissement et la mort des organismes.

Précisons le concept de processus irréversible. Un processus irréversible peut être appelé un tel processus, dont l'inverse ne peut se produire que comme l'un des maillons d'un processus plus complexe. Ainsi, dans l'exemple du pendule, vous pouvez à nouveau augmenter l'amplitude du pendule en le poussant avec votre main. Mais cette augmentation d'amplitude ne se produit pas d'elle-même, mais devient possible à la suite d'un processus plus complexe, y compris une poussée manuelle. Il est en principe possible de transférer de la chaleur d'un corps froid vers un corps chaud, mais cela nécessite un groupe frigorifique qui consomme de l'énergie, etc.

Mathématiquement, l'irréversibilité des processus mécaniques s'exprime dans le fait que les équations de mouvement des corps macroscopiques changent avec un changement de signe du temps. On dit qu'ils ne sont pas invariants par transformation t® -t. L'accélération ne change pas de signe à t® -t. Les forces qui dépendent des distances ne changent pas non plus de signe. Signer lors du remplacement t sur -t change avec la vitesse. C'est pourquoi, lorsque le travail est effectué par des forces de friction qui dépendent de la vitesse, l'énergie cinétique du corps est irréversiblement convertie en énergie interne.

Une bonne illustration de l'irréversibilité des phénomènes dans la nature est de regarder un film à l'envers. Par exemple, un vase en cristal tombant d'une table ressemblerait à ceci. Des fragments d'un vase allongé sur le sol se précipitent les uns contre les autres et, en se connectant, forment un vase entier. Puis le vase se lève et se tient maintenant tranquillement sur la table. Ce que nous voyons à l'écran pourrait en fait se produire si les processus pouvaient être inversés. L'absurdité de ce qui se passe vient du fait que nous sommes habitués à une certaine direction des processus et ne permettons pas la possibilité de leur flux inverse. Mais un processus tel que la restauration d'un vase à partir de fragments ne contredit ni la loi de conservation de l'énergie, ni les lois de la mécanique, ni aucune loi en général, à l'exception de la deuxième loi de la thermodynamique, que nous formulerons dans le prochain paragraphe.

Les processus dans la nature sont irréversibles. Les processus irréversibles les plus typiques sont :

1) le transfert de chaleur d'un corps chaud vers un corps froid ;

2) la transition de l'énergie mécanique en énergie interne.

1. Irréversibilité des processus dans la nature Complété par: élève de la classe 10 "B" Andronova Anna
2. Irréversible est un processus qui ne peut pas être effectué dans le sens opposé à travers tous les mêmes états intermédiaires.
3. La loi de conservation de l'énergie n'interdit pas les processus qui ne se produisent pas dans l'expérience :  - chauffer un corps plus chaud avec un corps plus froid ;  - balancement spontané d'un pendule à partir d'un état de repos ;  - collecter du sable dans la pierre, etc. Les processus dans la nature ont une certaine direction. Dans le sens opposé, ils ne peuvent pas s'écouler spontanément. Tous les processus de la nature sont irréversibles.
4. Exemples de processus irréversibles Lors de la diffusion, l'alignement des concentrations se produit spontanément. Le processus inverse n'ira jamais de lui-même : un mélange de gaz, par exemple, ne se séparera jamais spontanément en ses composants.
5. Donnons un autre exemple d'oscillation d'un pendule hors d'équilibre : sous l'effet des forces de frottement, l'énergie mécanique du pendule diminue, et la température du pendule et de l'air ambiant (et donc leur énergie interne) augmente légèrement. Le processus inverse est également énergétiquement admissible, lorsque l'amplitude des oscillations du pendule augmente en raison du refroidissement du pendule lui-même et de l'environnement. Mais un tel processus n'est jamais observé. L'énergie mécanique se transforme spontanément en énergie interne, mais pas l'inverse. Dans ce cas, l'énergie du mouvement ordonné du corps dans son ensemble est convertie en énergie du mouvement thermique désordonné de ses molécules constitutives.
6. "La flèche du temps" et le problème de l'irréversibilité en sciences naturelles L'un des principaux problèmes de la physique classique a longtemps été le problème de l'irréversibilité des processus réels dans la nature. Presque tous les processus réels dans la nature sont irréversibles : est l'amortissement d'un pendule, et l'évolution d'une étoile, et la vie humaine. L'irréversibilité des processus dans la nature, pour ainsi dire, définit la direction sur l'axe du temps du passé vers le futur. Le physicien et astronome anglais A. Eddington a appelé au sens figuré cette propriété du temps "la flèche du temps".
7. La deuxième loi de la thermodynamique indique la direction des transformations énergétiques possibles et exprime ainsi l'irréversibilité des processus dans la nature. Elle est établie par généralisation directe de faits expérimentaux.
8.  Formulation de R. Clausius : il est impossible de transférer la chaleur de plus système froidà un plus chaud en l'absence de changements simultanés dans les deux systèmes ou corps environnants  Formulation de W. Kelvin : il est impossible de réaliser un tel processus périodique dont le seul résultat serait d'obtenir un travail dû à la chaleur prélevée sur un source.
9. Rudolf Clausius (1822-1888) Clausius est responsable des travaux fondamentaux dans le domaine de la théorie moléculaire-cinétique de la chaleur. Les travaux de Clausius ont contribué à l'introduction des méthodes statistiques en physique. Clausius a apporté une contribution importante à la théorie de l'électrolyse : il a théoriquement étayé la loi de Joule-Lenz, développé la théorie de la polarisation des diélectriques, sur la base de laquelle il a établi la relation entre la permittivité et la polarisabilité.
10. W. Kelvin (1824-1907) William Kelvin est l'auteur de nombreux travaux théoriques en physique, il a étudié les phénomènes courant électrique, géologie dynamique. Avec James Joule, Kelvin a mené des expériences sur le refroidissement des gaz et a formulé la théorie des gaz réels. L'échelle de température thermodynamique absolue porte son nom.
11. Le problème de l'irréversibilité des processus dans la nature Essentiellement, tous les processus dans les macrosystèmes sont irréversibles. Une question fondamentale se pose : quelle est la raison de l'irréversibilité ? Cela semble particulièrement étrange si l'on considère que toutes les lois de la mécanique sont réversibles dans le temps. Et pourtant, personne n'a vu que, par exemple, un vase brisé se remet spontanément de fragments.Ce processus peut être observé si vous le filmez d'abord et le regardez dans la direction opposée, mais pas dans la réalité.Les interdictions établies par la seconde La loi de la thermodynamique est également devenue mystérieuse.La solution à ce problème complexe est venue avec la découverte d'une nouvelle quantité thermodynamique - l'entropie - et la divulgation de sa signification physique.
12. L'entropie est une mesure du désordre d'un système composé de nombreux éléments. En particulier, en physique statistique - une mesure de la probabilité de mise en œuvre de tout état macroscopique.
13. Réalité des processus irréversibles De nombreux processus souvent observés sont irréversibles : essayez de jeter une pierre dans l'eau - vous verrez toujours des cercles concentriques - des vagues divergeant de l'endroit où elles frappent l'eau et ne convergeant jamais vers cet endroit. En chimie, des exemples de processus irréversibles sont des réactions qui procèdent toujours avec une augmentation de l'entropie. En biologie, la vie commence toujours à la naissance, se poursuit avec la jeunesse, la maturité et la vieillesse, et se termine avec la mort, et non seulement le développement inverse de la vie les organismes ne se produisent jamais, mais même ce processus s'arrête.En astronomie, ce sont des étoiles qui s'estompent progressivement ou sont sujettes à un effondrement gravitationnel.
14. Merci de votre attention !