Procese reversibile și ireversibile. Ireversibilitatea proceselor în natură - Hypermarket de cunoștințe Exemple de procese reversibile și ireversibile în natură

Cum apar procesele ireversibile? O mulțime de lucruri se întâmplă în lume în fiecare zi. Sunt destul de comune și permanente și pot avea consecințe ireversibile. Aceste evenimente vor fi discutate în articolul de mai jos.

Concept și definiție

Procesele ireversibile sunt procese imuabile, adesea regresive. Ele pot apărea în absolut orice zonă. viata umana. Dar, conform oamenilor de știință, cele mai importante sunt procesele similare din natură. Din păcate, există multe astfel de exemple. Dar în acest articol le vom evidenția pe cele mai importante. De obicei sunt mari probleme de mediu.

Dispariția animalelor, distrugerea plantelor

Este suficient de rezonabil să spunem că dispariția diferite feluri animale - un proces natural de evoluție.

Potrivit Google, în fiecare an lumea pierde de la 1 până la 10 specii de animale și aproximativ 1-2 specii de păsări. Mai mult, dispariția tinde să crească. Pentru că, conform aceleiași statistici, aproximativ 600 de specii sunt oficial pe cale de dispariție.

Astfel, acestea sunt procese complet ireversibile care au loc în lumea animalelor și a plantelor. Principalele motive sunt următorii factori:

• Poluare, emisii și altele influente negative pe ecologie.
• Utilizare compozitii chimiceîn agricultură, ceea ce duce la imposibilitatea existenței în astfel de teritorii a unor specii de animale, precum și a plantelor.
• O scădere constantă a cantității de hrană pentru animale, asociată, de exemplu, cu defrișările.

Epuizarea Pământului

În fiecare zi, fiecare persoană de pe planetă folosește energia mineralelor. Fie că este vorba de petrol, gaz, cărbune sau alte surse necesare de electricitate. Aici aveți un nou proces ireversibil - epuizarea „trezorerielor” planetei noastre. Oamenii de știință cred că principalul motiv pentru această regresie este creșterea constantă a populației.

Pe măsură ce numărul de oameni crește, crește și consumul și cererea. Odată cu creșterea cererii, criticii subliniază, în plus, că epuizarea constantă a bazinelor de minerale va duce la schimbări climatice inevitabile. Și asta, după cum știți, va atrage probleme și mai mari decât ne putem imagina.

Thor Heyerdahl a spus:

Dead Ocean - Dead Earth.

Avea perfectă dreptate în declarația sa, făcând aluzie la unul dintre exemplele de procese ireversibile - comportamentul absolut necinstit al oamenilor în raport nu numai cu oceanul, ci și cu natura în general.

În secolul al XX-lea, a devenit cunoscut faptul că oceanele aparțin tuturor. Acest lucru, în special, l-a condus la starea în care se află acum. Principalul este, de asemenea, un proces ireversibil - utilizarea analfabetă a resurselor sale, precum și faptul că Oceanul Mondial nu tinde să reziste întregii încărcături a atmosferei în care umanitatea produce emisii zilnice. Dar mai multe despre asta în capitolul următor.

Procesele ireversibile din natură acoperă adesea cele mai globale și serioase domenii ale vieții noastre. Eliberarea de substanțe chimice în atmosferă este o problemă cu adevărat importantă. Consecințele unor astfel de emisii sunt atât de periculoase încât în ​​1948 statul Pennsylvania (SUA) a fost învăluit într-o ceață extrem de densă. Aproximativ 14.000 de oameni locuiau în orașul Donore la acea vreme.

Conform izvoare istorice, din aceste 14 mii, aproximativ 6 mii de oameni s-au îmbolnăvit. Ceața era atât de deasă încât era aproape imposibil de văzut drumul. Au început să se adreseze în mod activ la medici cu plângeri de greață, dureri în ochi și amețeli. După ceva timp, 20 de oameni au murit.

De asemenea, au murit în masă câini, păsări, pisici - cei care nu și-au găsit adăpost de ceața sufocantă. Nu este greu de ghicit - cauza acestui fenomen nu a fost altceva decât emisiile în atmosferă. Oamenii de știință susțin că situația s-a dezvoltat din cauza distribuției incorecte a temperaturii aerului în zonă ca urmare a utilizării substanțelor chimice.

Probleme ale stratului de ozon

Timp de multe secole, oamenii nici nu au bănuit existența unui astfel de fenomen ca strat de ozon(până în 1873 - atunci a descoperit-o omul de știință Shenbein). Totuși, acest lucru nu a împiedicat omenirea să influențeze stratul de ozon într-un mod foarte dăunător. Motivele distrugerii sale, spre surprinderea multora, sunt destul de simple, dar motive întemeiate:

În prezent, problema distrugerii stratului de ozon este relevantă. Oamenii se gândesc cum să folosească mai puțin freonii, căutând activ înlocuitorii lor. Există, de asemenea, mulți voluntari care sunt de acord să ajute oamenii de știință și să intre în știință pentru a salva mediul.

„Contribuția” omului la peisajele naturale

Există două categorii de oameni. Pentru unii, securitatea este importantă. mediu inconjuratorîn timp ce altele sunt invers. Din păcate, distrugerea prevalează. Un mediu care nu mai este potrivit pentru viață, datorită influenței omenirii, este considerat a fi complet mutilat. Și sunt o mulțime de ei în aceste zile. Practic, schimbările în peisajele naturale sunt defrișările, în urma cărora animalele se sting, dispar plantele, păsările etc.

Reînnoirea zonei afectate după aceasta este extrem de dificilă și, de regulă, aproape nimeni nu face acest lucru. Ce procese sunt numite ireversibile, multe organizații care sunt angajate în restaurarea naturii știu. Dar vor fi ele suficient de puternice pentru a salva întreaga noastră ecologie?

Cum să previi inevitabilul?

Problemele globale sunt numite astfel pentru un motiv - nu tind să se întoarcă. Cu toate acestea, se poate acorda un mare ajutor lumii, astfel încât aceste procese să nu afecteze negativ mediul în continuare. Există multe modalități de a ajuta natura. Ele sunt de mult cunoscute de toată lumea, dar este imposibil să nu vorbim despre ele.

• cale politică. Implică crearea unor legi care să protejeze mediul, să-l protejeze. Multe țări au deja multe astfel de legi. Cu toate acestea, omenirea are nevoie de cele eficiente, la propriu, forțându-i să se oprească și să nu-și distrugă propriul habitat.
• Organizații. Da, astăzi există organizații pentru protecția naturii. Dar ar fi bine să ne asigurăm că toată lumea are posibilitatea de a participa la acțiunile lor.
• mod ecologic. Cel mai simplu este să plantezi o pădure. Copacii, tufișurile, puieții și plantarea diferitelor plante este sarcina cea mai elementară, dar poate avea un impact puternic asupra naturii.

Biocenoza Holzer

O persoană obișnuită, nu un botanist sau un om de știință de cea mai înaltă categorie, ci pur și simplu un fermier obișnuit, a creat o biocenoză. Concluzia este de a asigura existența peștilor, insectelor, animalelor, plantelor într-un anumit loc, practic fără a lua parte la dezvoltarea lor. Astfel, pentru carne, fructe și alte produse, toată Austria îi face coadă. El a demonstrat prin exemplu că dacă nu interferezi cu dezvoltarea naturii, aceasta va aduce doar beneficii. Așa-numita armonie cu natura este scopul pentru care toată lumea din această lume ar trebui să lupte.

concluzii

Omenirea este obișnuită să acționeze pe principiul: văd scopul - nu văd obstacole. Chiar dacă duce la probleme globale(dacă nu a început deja să conducă), acea umanitate însăși va dispărea. În încercarea de a ne atinge obiectivele și de a ne asigura propriul confort, nu observăm cum totul în jur este distrus. După ce ați citit acest articol, câți oameni se vor întreba ce procese sunt ireversibile?

Dacă nu depășiți procesul de gândire oameni moderni, natura este în pericol real în câțiva ani. Este păcat că trăim într-o lume în care beneficiul nostru prevalează asupra stării lumii înconjurătoare.

• Legea conservării energiei spune că cantitatea de energie din oricare dintre transformările sale rămâne neschimbată. Dar nu spune nimic despre ce transformări energetice sunt posibile. Între timp, multe procese care sunt destul de admisibile din punctul de vedere al legii conservării energiei nu apar niciodată în realitate.

Corpurile încălzite se răcesc de la sine, transferându-și energia către corpurile din jur mai reci. Procesul invers de transfer de căldură de la un corp rece la unul cald nu contravine legii conservării energiei, dar de fapt nu are loc.

Alt exemplu. Oscilaţiile pendulului, scoase din poziţia de echilibru, se degradează (Fig. 5.11; 1, 2, 3, 4 - poziţii succesive ale pendulului la abateri maxime de la poziţia de echilibru). Datorită muncii forțelor de frecare energie mecanică scade, iar temperatura pendulului și a aerului din jur crește ușor. Procesul invers este și energetic admisibil, atunci când amplitudinea oscilațiilor pendulului crește datorită răcirii pendulului în sine și a mediului. Dar un astfel de proces nu a fost niciodată observat. Energia mecanică se transformă spontan în energie internă, dar nu invers. În acest caz, mișcarea ordonată a corpului în ansamblu se transformă într-o mișcare termică dezordonată a moleculelor sale constitutive.

Numărul de astfel de exemple poate fi crescut aproape la nesfârșit. Toți spun că procesele din natură au o anumită direcție, care nu se reflectă în niciun fel în prima lege a termodinamicii. Toate procesele din natură decurg doar într-o direcție specifică. În direcția opusă, ele nu pot curge spontan. Toate procesele din natură sunt ireversibile, iar cele mai tragice dintre ele sunt îmbătrânirea și moartea organismelor.

Să clarificăm conceptul de proces ireversibil. Un proces ireversibil poate fi numit un astfel de proces, inversul căruia poate apărea doar ca una dintre verigile într-un proces mai complex.. Deci, în exemplul pendulului, puteți crește din nou amplitudinea pendulului împingându-l cu mâna. Dar această creștere a amplitudinii nu are loc de la sine, ci devine posibilă ca urmare a unui proces mai complex, inclusiv o împingere manuală. Este posibil în principiu să transferați căldura de la un corp rece la unul cald, dar pentru aceasta este nevoie de o unitate frigorifică care consumă energie etc.

Matematic, ireversibilitatea proceselor mecanice se exprimă prin faptul că ecuațiile de mișcare ale corpurilor macroscopice se modifică odată cu schimbarea semnului timpului. Se spune că nu sunt invariante la transformarea t -> -t. Accelerația nu își schimbă semnul pentru t -> -t. De asemenea, forțele care depind de distanțe nu își schimbă semnul. Când înlocuiți t cu -t, semnul se schimbă odată cu viteza. De aceea, atunci când munca este efectuată de forțe de frecare care depind de viteză, energia cinetică a corpului este convertită ireversibil în energie internă.

O bună ilustrare a ireversibilității fenomenelor din natură este vizionarea unui film în sens invers. De exemplu, o vază de cristal care cade de pe o masă ar arăta așa. Fragmente de vază întinse pe podea se grăbesc unele la altele și, conectându-se, formează o întreagă vază. Apoi vaza se ridică și acum stă în liniște pe masă. Ceea ce vedem pe ecran s-ar putea întâmpla dacă procesele ar putea fi inversate. Absurditatea a ceea ce se întâmplă provine din faptul că suntem obișnuiți cu o anumită direcție a proceselor și nu permitem posibilitatea curgerii lor inverse. Dar un astfel de proces precum restaurarea unei vase din fragmente nu contrazice nici legea conservării energiei, nici legile mecanicii, nici vreo lege în general, cu excepția celei de-a doua lege a termodinamicii, pe care o vom formula în cele ce urmează. paragraf.

Procesele din natură sunt ireversibile. Cele mai tipice procese ireversibile sunt:

1. transferul de căldură de la un corp fierbinte la unul rece;
2. conversia energiei mecanice în energie internă.

Definiția 1

Un proces reversibil este considerat în fizică un proces care poate fi efectuat în sens invers în așa fel încât sistemul să fie supus trecerii acelorași stări, dar în direcții inverse.

Figura 1. Procese reversibile și ireversibile. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Definiția 2

Un proces ireversibil este considerat a fi un proces care decurge spontan într-o singură direcție.

Proces termodinamic

Figura 2. Procese termodinamice. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Procesul termodinamic este o schimbare continuă a stărilor sistemului, care are loc ca urmare a interacțiunilor sale cu mediul. În acest caz, o modificare a cel puțin unui parametru de stare va fi considerată un semn extern al procesului.

Procesele reale de schimbare a stării au loc în condiția prezenței unor viteze semnificative și diferențe de potențial (presiuni și temperaturi) existente între sistem și mediu. În astfel de condiții, va apărea o distribuție neuniformă complexă a parametrilor și a funcțiilor de stare, pe baza volumului sistemului în stare de neechilibru. Procesele termodinamice care implică trecerea unui sistem printr-o serie de stări de neechilibru vor fi numite neechilibru.

Studiul proceselor de neechilibru este considerată cea mai dificilă sarcină pentru oamenii de știință, deoarece metodele dezvoltate în cadrul termodinamicii sunt adaptate în principal studiului stărilor de echilibru. De exemplu, un proces de neechilibru este foarte dificil de calculat folosind ecuațiile de stare a unui gaz aplicabile condițiilor de echilibru, în timp ce presiunea și temperatura au valori egale în raport cu întregul volum al sistemului.

Ar fi posibil să se efectueze un calcul aproximativ al unui proces de neechilibru prin înlocuirea valorilor medii ale parametrilor de stare în ecuație, dar în majoritatea cazurilor, media parametrilor pe volumul sistemului devine imposibilă.

În termodinamica tehnică, în cadrul studiului proceselor reale, distribuția parametrilor de stare se presupune în mod convențional a fi uniformă. Aceasta, la rândul său, face posibilă utilizarea ecuațiilor de stare și a altor formule de calcul obținute pentru a distribui uniform parametrii în sistem.

În unele cazuri specifice, erorile datorate unei astfel de simplificări sunt nesemnificative și pot să nu fie luate în considerare la calcularea proceselor reale. Dacă, ca urmare a neuniformității, procesul diferă semnificativ de modelul de echilibru ideal, atunci se vor face corecții corespunzătoare la calcul.

Condițiile parametrilor uniform distribuiți în sistem atunci când starea acestuia se schimbă, implică în esență luarea unui proces idealizat ca obiect de studiu. În acest caz, un astfel de proces constă dintr-un număr infinit de stări de echilibru.

Este posibil să se reprezinte un astfel de proces în formatul unui proces care se desfășoară atât de lent încât la fiecare moment particular de timp să se stabilească o stare practic de echilibru în sistem. Gradul de aproximare a echilibrului unui astfel de proces va fi cu atât mai mare, cu atât rata de schimbare a sistemului va fi mai mică.

În limită, ajungem la un proces infinit de lent care asigură o schimbare continuă pentru stările de echilibru. Un astfel de proces de schimbare a stării de echilibru va fi numit cvasistatic (sau, parcă, static). Acest tip de proces va corespunde unei diferențe de potențial infinit de mică între sistem și mediu.

Definiția 3

În sens invers procesului cvasistatic, sistemul va trece prin stări similare cu cele care apar în procesul direct. Această proprietate a proceselor cvasi-statice se numește reversibilitate, iar procesele în sine sunt reversibile.

Proces reversibil în termodinamică

Figura 3. Proces reversibil în termodinamică. Autor24 - schimb online de lucrări ale studenților

Definiția 4

Proces reversibil (echilibru) - reprezintă un proces termodinamic capabil să treacă atât în ​​sens înainte, cât și în sens invers (datorită trecerii prin aceleași stări intermediare), în timp ce sistemul revine la starea inițială fără costuri energetice, și nu există macroscopice. schimbări.

Un proces reversibil poate fi făcut să curgă în direcția opusă în absolut orice moment de timp, datorită unei modificări a oricărei variabile independente cu o cantitate infinitezimală. Procesele reversibile pot oferi cea mai mare muncă. Este imposibil să obțineți multă muncă de la sistem în orice circumstanțe. Acest lucru dă importanță teoretică proceselor reversibile, care sunt, de asemenea, nerealiste de implementat în practică.

Astfel de procese se desfășoară infinit de încet și devine posibil doar să le abordăm. Este important de remarcat diferența semnificativă reversibilitate termodinamică proces din chimie. Reversibilitatea chimică va caracteriza direcția procesului, iar termodinamica - modul în care va fi desfășurat.

Conceptele de proces reversibil și de stare de echilibru joacă un rol foarte important în termodinamică. Astfel, fiecare concluzie cantitativă a termodinamicii va fi aplicabilă exclusiv stărilor de echilibru și proceselor reversibile.

Procese ireversibile ale termodinamicii

Un proces ireversibil nu poate fi efectuat în sens invers prin toate aceleași stări intermediare. Toate procesele reale sunt considerate ireversibile în fizică. Următoarele sunt exemple de astfel de procese:

• difuzie;
• difuzie termică;
• conductivitate termică;
• curgere vâscoasă etc.

Tranziție energie kinetică(pentru mișcarea macroscopică) în căldură prin frecare (în energia internă a sistemului) va fi un proces ireversibil.

Toate procesele fizice desfășurate în natură sunt împărțite în reversibile și ireversibile. Fie ca un sistem izolat, datorită unui proces, să facă o tranziție de la starea A la starea B și apoi să revină la starea inițială.

Procesul, în acest caz, va deveni reversibil în condițiile implementării probabile a tranziției inverse de la starea B la A prin stări intermediare similare, astfel încât să nu rămână absolut nicio modificare în corpurile înconjurătoare.

Dacă implementarea unei astfel de tranziții este imposibilă și cu condiția ca, după încheierea procesului, să nu existe modificări în corpurile înconjurătoare sau în cadrul sistemului însuși, atunci procesul se va dovedi a fi ireversibil.

Orice proces însoțit de fenomenul de frecare va deveni ireversibil, deoarece, în condițiile frecării, o parte din lucru se va transforma întotdeauna în căldură, se va disipa, o urmă a procesului (încălzirea) va rămâne în corpurile înconjurătoare, care va transforma procesul (cu participarea frecării) în ireversibil.

Exemplul 1

Un proces mecanic ideal realizat într-un sistem conservator (fără forțe de frecare) ar deveni reversibil. Un exemplu de astfel de proces poate fi considerat oscilații pe o suspensie lungă a unui pendul greu. Datorită gradului nesemnificativ de rezistență al mediului, amplitudinea oscilațiilor pendulului devine practic neschimbată pe o perioadă lungă de timp, energia cinetică a pendulului oscilant în acest caz se dovedește a fi complet convertită în energia sa potențială și invers.

Cea mai importantă trăsătură fundamentală a tuturor fenomenelor termice (în care sunt implicate un număr enorm de molecule) va fi caracterul lor ireversibil. Un exemplu de proces de această natură este expansiunea unui gaz (în special a unuia ideal) într-un vid.

Deci, în natură, se observă existența a două tipuri de procese fundamental diferite:

• reversibil;
• ireversibil.

Conform afirmației lui M. Planck, făcută o dată, diferențele dintre astfel de procese ca ireversibile și reversibile vor fi mult mai profunde decât, de exemplu, între varietățile electrice și mecanice de procese. Din acest motiv, are mai mult sens (comparativ cu orice alt semn) să-l alegem ca prim principiu în cadrul luării în considerare a fenomenelor fizice.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Găzduit la http://www.allbest.ru/

Interpretarea statistică a ireversibilității proceselor din natură

A doua lege a termodinamicii afirmă faptul ireversibilității proceselor din natură, dar nu îi dă nicio explicație. Această explicație poate fi obținută doar pe baza teoriei cinetice moleculare și este departe de a fi simplă.

Contradicția dintre reversibilitatea microproceselor și ireversibilitatea macroproceselor.

Ireversibilitatea macroproceselor pare paradoxală, deoarece toate microprocesele sunt reversibile în timp. Ecuațiile de mișcare ale microparticulelor individuale, atât clasice, cât și cuantice, sunt reversibile în timp, deoarece nu conțin forțe de frecare care depind de viteză. Forța de frecare este un efect macroscopic din interacțiunea unui corp mare cu un număr mare de molecule de mediu, iar apariția acestei forțe în sine trebuie explicată. Forțele prin care microparticulele interacționează (în primul rând forțe electromagnetice) sunt reversibile în timp. Ecuațiile lui Maxwell care descriu interacțiunile electromagnetice nu se modifică la înlocuire t pe - t.

Dacă iei cel mai simplu model gaz - un set de bile elastice, apoi gazul în ansamblu va prezenta o anumită direcție de comportament. De exemplu, fiind comprimat în jumătate din vas, acesta va începe să se extindă și să ocupe întregul vas. Nu se va micșora din nou. Ecuațiile de mișcare ale fiecărei molecule-bil sunt reversibile în timp, deoarece conțin doar forțe care depind de distanțe și se manifestă prin ciocnirea moleculelor.

Astfel, sarcina este nu numai de a explica originea ireversibilității, ci și de a reconcilia faptul reversibilității microproceselor cu faptul ireversibilității macroproceselor.

Meritul pentru găsirea unei abordări fundamentale corecte pentru rezolvarea acestei probleme îi aparține lui Boltzmann. Adevărat, unele aspecte ale problemei ireversibilității nu au primit încă o soluție exhaustivă.

Să dăm un exemplu simplu de zi cu zi, care, în ciuda trivialității sale, este direct legat de rezolvarea problemei ireversibilității de către Boltzmann.

Să presupunem că decizi să începi luni viață nouă. Condiția sine qua non pentru aceasta este de obicei perfectă sau aproape de ordinea perfectă pe birou. Aranjați toate obiectele și cărțile în locuri strict definite, iar pe masa voastră domnește o stare, care poate fi numită pe bună dreptate starea de „ordine”.

Ce se va întâmpla în timp este bine cunoscut. Uiți să pui obiecte și cărți în locuri strict definite, iar pe masă domnește o stare de haos. Nu este greu de înțeles despre ce este vorba. Starea de „ordine” corespunde doar „fundului unui anumit aranjament de obiecte și stării de „haos” – un număr incomparabil mai mare. Și de îndată ce obiectele încep să ocupe poziții arbitrare care nu sunt controlate de voința ta, o stare de haos mai probabilă apare în mod natural pe masă, ceea ce se realizează mult. un numar mare: definiții pentru elementele de pe masă.

În principiu, tocmai astfel de considerații au fost exprimate de Boltzmann pentru a explica ireversibilitatea macroproceselor.

În primul rând, este necesar să se facă distincția între starea macroscopică a sistemului și starea sa microscopică.

Starea macroscopică este caracterizată de câțiva parametri termodinamici (presiune, volum, temperatură etc.), precum și de mărimi mecanice precum poziția centrului de masă, viteza centrului de masă etc. Este mărimi macroscopice care caracterizează statul în ansamblu care au importanţă practică.

Starea microscopică se caracterizează în cazul general prin stabilirea coordonatelor și vitezelor (sau momentelor) tuturor particulelor care alcătuiesc sistemul (corpul macroscopic). Aceasta este o caracteristică incomparabil mai detaliată a sistemului, a cărei cunoaștere nu este deloc necesară pentru a descrie procesele cu corpuri macroscopice. Mai mult, cunoașterea microstarii este de fapt de neatins din cauza numărului imens de particule care alcătuiesc macrocorpurile. În exemplul de zi cu zi dat mai sus cu obiecte pe masă, pot fi introduse conceptele de micro și macrostări. Microstarea corespunde unui aranjament specific al obiectelor, iar macrostarea corespunde unei evaluări a situației în ansamblu: fie „ordine” fie „haos”.

Este destul de evident că o anumită macrostare poate fi realizată de un număr mare de microstări diferite. Astfel, de exemplu, tranziția unei molecule dintr-un punct dat din spațiu la un alt punct sau o modificare a vitezei acesteia ca urmare a unei coliziuni modifică microstarea sistemului, dar, desigur, nu modifică parametrii termodinamici și , în consecință, macrostarea sistemului.

Acum să introducem o ipoteză care nu este la fel de evidentă ca afirmațiile anterioare: toate stările microscopice ale unui sistem închis sunt la fel de probabile; niciunul dintre ei nu este evidențiat, nu ocupă o poziție preferențială. Această ipoteză este de fapt echivalentă cu ipoteza naturii haotice a mișcării termice a moleculelor.

În timp, microstările se înlocuiesc continuu. Timpul petrecut de sistem într-o anumită stare macroscopică este evident proporțional cu numărul de microstări Z 1 care realizează această stare. Dacă Z reprezintă numărul total de microstări ale sistemului, atunci probabilitatea stării W este determinată după cum urmează: W=Z 1 /Z

Probabilitatea unei stări macroscopice este egală cu raportul dintre numărul de microstări care realizează macrostarea și numărul total de microstări posibile.

Trecerea sistemului la starea cea mai probabilă

Cu cât este mai mare de 2^, cu atât este mai mare probabilitatea unei macrostari date și cu atât sistemul va fi mai mult în această stare. Astfel, evoluția sistemului are loc în direcția trecerii de la stări cu probabilitate scăzută la stări mai probabile. Cu aceasta este legată ireversibilitatea fluxului proceselor macroscopice, în ciuda reversibilității legilor care guvernează mișcarea particulelor individuale. Procesul invers nu este imposibil, este pur și simplu puțin probabil. Deoarece toate microstările sunt la fel de probabile, în principiu poate apărea o macrostare care este realizată de un număr mic de microstări, dar acesta este un eveniment extrem de rar. Nu ar trebui să fim surprinși dacă nu-i vedem niciodată. Cea mai probabilă stare de echilibru termic. Ea corespunde celui mai mare număr de microstări.

Este ușor de înțeles de ce energia mecanică se transformă spontan în energie internă. Mișcarea mecanică a unui corp (sau a unui sistem) este o mișcare ordonată atunci când toate părțile corpului se mișcă într-un mod identic sau similar. Mișcarea ordonată corespunde unui număr mic de microstări în comparație cu mișcarea termică aleatorie. Prin urmare, starea improbabilă a mișcării mecanice ordonate în sine se transformă în mișcare termică aleatorie realizată de un număr mult mai mare de microstări.

Procesul de transfer de căldură de la un corp fierbinte la unul rece este mai puțin clar. Dar și aici esența ireversibilității este aceeași.

La începutul transferului de căldură, există două grupe de molecule: molecule cu o energie cinetică medie mai mare pentru un corp fierbinte și molecule cu o energie cinetică medie scăzută pentru unul rece. Când echilibrul termic este stabilit la sfârșitul procesului, toate moleculele vor aparține aceluiași grup de molecule cu aceeași energie cinetică medie. O stare mai ordonată cu împărțirea moleculelor în două grupe încetează să mai existe.

Deci, ireversibilitatea proceselor se datorează faptului că stările macroscopice de neechilibru sunt puțin probabile. Aceste stări apar fie în mod natural ca urmare a evoluției Universului, fie sunt create artificial de om. De exemplu, obținem stări puternic de neechilibru prin încălzirea fluidului de lucru al unui motor termic la temperaturi care sunt cu sute de grade mai mari decât temperatura ambiantă.

Expansiunea unui „gaz” de patru molecule

Să luăm în considerare un exemplu simplu care ne permite să calculăm probabilitățile diferitelor stări și arată clar cum o creștere a numărului de particule dintr-un sistem duce la faptul că procesele devin ireversibile, în ciuda reversibilității legilor de mișcare a microparticulelor. .

Să presupunem că avem un „gaz” într-un vas, format din doar patru molecule. Inițial, toate moleculele sunt situate în jumătatea stângă a vasului, separate de jumătatea dreaptă printr-o partiție (Fig. 1a). Scoatem partiția, iar „gazul” va începe să se extindă, ocupând întregul vas. Să vedem care este probabilitatea ca „gazul” să se comprima din nou, adică. moleculele se vor reasambla într-o jumătate a vasului.

În exemplul nostru, macrostarea va fi caracterizată printr-o indicație a numărului de molecule dintr-o jumătate a vasului, indiferent de moleculele care se află aici. Microstările sunt specificate prin distribuția moleculelor pe jumătățile vasului, indicând care molecule ocupă această jumătate a vasului. Numerotăm moleculele cu numerele 1, 2, 3, 4.

Probabilitatea ca toate moleculele să se adune într-o jumătate (de exemplu, cea din stânga) a vasului este egală cu: 1/16, deoarece această macrostare corespunde unei microstare.

Probabilitatea ca moleculele să fie distribuite în mod egal va fi de 6 ori mai mare: 3/8, deoarece această macrostare corespunde la șase microstări. Probabilitatea ca într-o jumătate a vasului (de exemplu, cea din stânga) să fie trei molecule (și în cealaltă, respectiv, o moleculă) este egală cu: 1/4.

De cele mai multe ori, moleculele vor fi distribuite uniform pe jumătățile vasului: aceasta este starea cea mai probabilă.

Dar aproximativ 1/16 dintr-un interval de timp de observare suficient de mare, moleculele vor ocupa una dintre jumătățile vasului. Astfel, procesul de expansiune este reversibil și „gazul” este comprimat din nou după o perioadă de timp relativ scurtă.

Astfel, numai din cauza numărului mare de molecule din macrocorpi, procesele din natură se dovedesc a fi practic ireversibile. În principiu, procesele inverse sunt posibile, dar probabilitatea lor este aproape de zero. Strict vorbind, procesul nu contrazice legile naturii, drept urmare, din cauza mișcării aleatorii a moleculelor, toate se vor aduna într-o jumătate a clasei, iar elevii din cealaltă jumătate a clasei se vor sufoca. . Dar, în realitate, acest eveniment nu s-a întâmplat niciodată în trecut și nu se va întâmpla în viitor. Probabilitatea unui astfel de eveniment este prea mică pentru ca acesta să se întâmple vreodată pe toată durata existenței Universului în de ultimă oră- aproximativ câteva miliarde de ani.

În toate procesele există o direcție distinctă în care procesele trec de la o stare mai ordonată la una mai puțin ordonată. Cu cât este mai multă ordine în sistem, cu atât este mai dificil să-l restabiliți din dezordine. Este incomparabil mai ușor să spargi sticla decât să faci una nouă și să o introduci în cadru. Este mult mai ușor să ucizi o ființă vie decât să o readuci la viață, dacă este posibil. „Dumnezeu a creat un mic bug. Dacă îl zdrobiți, va muri” – o astfel de epigrafă a fost pusă de biochimistul american Szent Györgyi cărții sale „Bioenergetică”.

Direcția aleasă a timpului („săgeata timpului”), percepută de noi, este în mod evident legată tocmai de direcția proceselor din lume.

Limitele de aplicabilitate ale celei de-a doua legi a termodinamicii

Probabilitatea proceselor inverse de tranziție de la stări de echilibru la stări de neechilibru pt sisteme macroscopiceîn general, foarte mic. Dar pentru volume mici care conțin un număr mic de molecule, probabilitatea abaterii de la echilibru devine vizibilă. Astfel de abateri aleatorii de la echilibru se numesc fluctuații. Fluctuațiile în densitatea gazului în regiuni de ordinul lungimii de undă a luminii sunt cele care explică împrăștierea luminii în atmosfera Pământului și culoarea albastră a cerului. Fluctuațiile de presiune în volume mici explică mișcarea browniană.

Observarea fluctuațiilor servește drept cea mai importantă dovadă a corectitudinii teoriei statistice a ireversibilității macroproceselor create de Boltzmann. A doua lege a termodinamicii este valabilă numai pentru sistemele cu un număr mare de particule. În volume mici, abaterile de la această lege devin semnificative.

Un exemplu curios al unei presupuse posibile încălcări a celei de-a doua legi a termodinamicii a fost inventat de Maxwell. O ființă inteligentă – un „demon” – controlează un obturator foarte ușor în compartimentul care desparte cele două compartimente – Ai V-cu gaz la aceeași temperatură și presiune. „Demonul” urmărește moleculele care zboară până la oblon și îl deschide doar pentru moleculele rapide care se deplasează din compartimentul B în compartimentul A. Ca urmare, în timp, gazul din compartimentul A se încălzește, iar din compartimentul B se răcește. În acest caz, nu se lucrează, deoarece amortizorul este practic lipsit de greutate, iar a doua lege a termodinamicii pare să fie încălcată.

Cu toate acestea, în realitate, nu există nicio încălcare a celei de-a doua legi. Pentru activitatea sa, „demonul” trebuie să primească informații despre viteza moleculelor care zboară până la oblon. Este imposibil să obțineți aceleași informații fără cheltuirea energiei.

Ireversibilitatea proceselor din natură este asociată cu dorința sistemelor de a trece la starea cea mai probabilă, care corespunde dezordinii maxime.

reversibilitate microproces macroscopic căldură

Găzduit pe Allbest.ru

Documente similare

Conceptul de transfer de căldură ca proces fizic de transfer de energie termică de la un corp mai fierbinte la unul rece, fie direct, fie printr-o partiție de separare (corp sau mediu) realizată din orice material. Prima lege a termodinamicii. Legea Joule-Lenz.

prezentare, adaugat 09.10.2014


Relația dintre cantitatea de căldură, energia internă și muncă; metode de studiere a principalelor procese termodinamice, stabilirea relației dintre principalii parametri ai stării fluidului de lucru în timpul procesului; modificări de entalpie, entropie.

rezumat, adăugat 23.01.2012


Puncte cheie teoria moleculară structura materiei. Viteza de mișcare a moleculelor unei substanțe. Trecerea unei substanțe de la starea gazoasă la starea lichidă. Procesul de vaporizare intensivă. punctul de fierbere și presiunea. Absorbția căldurii în timpul fierberii.

prezentare, adaugat 02.05.2012


Viteza moleculelor de gaz. Revizuirea experienței lui Stern. Probabilitatea unui eveniment. Conceptul de distribuție a moleculelor de gaz după viteze. Legea distribuției Maxwell-Boltzmann. Investigarea dependenței funcției de distribuție Maxwell de masa moleculelor și temperatura gazului.

prezentare, adaugat 27.10.2013


Găsirea de lucru în procese termodinamice reversibile. Ciclul teoretic al unui motor cu combustie internă alternativă cu alimentare combinată de căldură. Lucrarea de dilatare și contracție. Ecuația de stare a gazului. Transfer de căldură sub convecție liberă.

lucrare de control, adaugat 22.10.2011


Determinarea densității și căldurii de ardere a gazelor naturale. Analiza parametrilor principali ai sistemului de alimentare cu gaz. Calculul consumului de căldură pentru alimentarea cu apă caldă. Calculul bugetului local pentru gazoductul intern și extern. Optimizarea proceselor de ardere.

teză, adăugată 20.03.2017


Viteza moleculelor de gaz. Conceptul de distribuție a moleculelor de gaz după viteze. Funcția de distribuție Maxwell. Calcularea vitezei RMS. Definiția matematică a probabilității. Distribuția moleculelor de gaz ideal. Valoarea absolută a vitezei.

prezentare, adaugat 13.02.2016


Determinarea indicelui politropic, parametrii inițiali și finali, modificarea entropiei pentru un gaz dat. Calculul parametrilor fluidului de lucru în punctele caracteristice ale ciclului ideal al unui motor alternativ cu ardere internă cu alimentare de căldură izocor-izobară.

lucrare de control, adaugat 12.03.2011


Calculul vitezei moleculelor. Diferențele de viteză ale moleculelor de gaz și lichid. Determinarea experimentală a vitezelor moleculelor. Dovezi practice ale consistenței teoriei molecular-cinetice a structurii materiei. Modul de viteză de rotație.

prezentare, adaugat 18.05.2011


Descrierea gazelor reale în modelul de gaz ideal. Caracteristici ale aranjamentului moleculelor în gaze. Descrierea unui gaz ideal prin ecuația Clapeyron-Mendeleev. Analiza ecuației van der Waals. Structura corpurilor solide. Transformări de fază. Diagrama stărilor.

Ministerul Căilor Ferate al Federației Ruse

Orientul Îndepărtat Universitate de stat mijloace de comunicare
Catedra de Chimie și Ecologie
Raport

Pentru decontare și lucrări grafice pe tema:

Ireversibilitatea proceselor din natură și săgeata timpului
Completat de: elev din grupa 318

Trofimets A.A.

Verificat de profesor:

Dryutskaya S.M.
Khabarovsk 2010

1. Introducere 3

2. caracteristici generaleși formularea

A doua lege a termodinamicii 4

3. Conceptul de entropie 8

4. Săgeata timpului 10

5. Concluzie 11

6. Referințe 12

Introducere
Legea conservării energiei spune că cantitatea de energie din oricare dintre transformările sale rămâne neschimbată. Dar nu spune nimic despre ce transformări energetice sunt posibile. Între timp, multe procese care sunt destul de admisibile din punctul de vedere al legii conservării energiei nu apar niciodată în realitate.
Legea conservării energiei nu interzice procese care sunt experimentate nu apar:

- încălzirea unui corp mai fierbinte cu unul mai rece;

Balansarea spontană a pendulului din starea de repaus;

Colectarea nisipului în piatră etc.

Procesele din natură au o anumită direcție. În direcția opusă, ele nu pot curge spontan.
A doua lege a termodinamicii, fiind cea mai importantă lege natura, determină direcția în care se desfășoară procesele termodinamice, stabilește limitele posibile pentru conversia căldurii în lucru în procese circulare, permite o definire strictă a unor concepte precum entropie, temperatură etc.

Caracteristici generale și formularea celei de-a doua legi a termodinamicii

Procesele naturale sunt întotdeauna îndreptate spre atingerea unei stări de echilibru (mecanic, termic sau oricare altul) de către sistem. Acest fenomen este reflectat de a doua lege a termodinamicii, care are mare importanțăși să analizeze funcționarea mașinilor cu energie termică. Conform acestei legi, de exemplu, căldura se poate transfera spontan doar de la un corp cu o temperatură mai mare la un corp cu o temperatură mai scăzută. Pentru a efectua procesul invers, trebuie cheltuite unele lucrări. În acest sens, a doua lege a termodinamicii poate fi formulată după cum urmează: este imposibil un proces în care căldura s-ar transfera spontan de la corpurile mai reci la corpurile mai calde(postulat al lui Clausius, 1850).

A doua lege a termodinamicii determină, de asemenea, condițiile în care căldura poate fi transformată în muncă pentru o perioadă de timp arbitrar lungă. În orice proces termodinamic în buclă deschisă, pe măsură ce volumul crește, se efectuează o muncă pozitivă:

Unde eu este lucrarea finală,

V1 și v2 sunt volumul specific inițial și, respectiv, final;

Dar procesul de expansiune nu poate continua la infinit, prin urmare, posibilitatea de a converti căldura în muncă este limitată.

Conversia continuă a căldurii în lucru se realizează numai într-un proces circular sau ciclu.

Fiecare proces elementar inclus în ciclu se realizează cu furnizarea sau eliminarea căldurii dQ,însoțită de performanța sau cheltuiala muncii, o creștere sau scădere a energiei interne, dar întotdeauna în condiții dQ=dU+dLși dq=du+dl, care arată că fără alimentare de căldură ( dq=0) munca externă poate fi efectuată numai în detrimentul energiei interne a sistemului, iar furnizarea de căldură către sistemul termodinamic este determinată de procesul termodinamic. Integrarea în buclă închisă oferă:

/>, /> pentru că />.

Aici QCși LC- respectiv, căldura convertită în lucru în ciclu, și munca efectuată de corpul de lucru, care este diferența | L1 | - |L2 | lucrări pozitive și negative ale proceselor ciclului elementar.

Cantitatea elementară de căldură poate fi considerată aport (dQ>0) si alocat (dQ din fluidul de lucru. Suma căldurii furnizate în ciclul |Q1| și suma căldurii eliminate |Q2|. Prin urmare,

LC=QC=|Q1 | -|Î2 |.

Furnizarea cantității de căldură Q1 fluidului de lucru este posibilă dacă există o sursă externă cu o temperatură mai mare decât temperatura fluidului de lucru. O astfel de sursă de căldură se numește fierbinte. Îndepărtarea cantității de căldură Q2 din fluidul de lucru este posibilă și în prezența unei surse externe de căldură, dar cu o temperatură mai mică decât temperatura fluidului de lucru. O astfel de sursă de căldură se numește rece. Astfel, pentru a finaliza ciclul, este necesar să existe două surse de căldură: una cu temperatură ridicată, cealaltă cu una scăzută. În acest caz, nu toată cantitatea de căldură consumată Q1 poate fi convertită în muncă, deoarece cantitatea de căldură Q2 este transferată la sursa rece.

Condițiile de funcționare ale unui motor termic sunt următoarele:

Necesitatea a doua surse de caldura (calda si rece);

Funcționarea ciclică a motorului;

Transferul unei părți din cantitatea de căldură primită de la o sursă fierbinte la o sursă rece fără a o transforma în muncă.

În acest sens, celei de-a doua lege a termodinamicii i se pot da mai multe formulări:

transferul de căldură de la o sursă rece la una caldă este imposibil fără cheltuielile de muncă;

este imposibil să construiți o mașină care funcționează periodic, care să funcționeze și, în consecință, să răcească rezervorul de căldură;

natura tinde să treacă de la stări mai puţin probabile la cele mai probabile.

Trebuie subliniat că a doua lege a termodinamicii (precum și prima) este formulată pe baza experienței.

În forma sa cea mai generală, a doua lege a termodinamicii poate fi formulată după cum urmează: orice proces spontan real este ireversibil. Toate celelalte formulări ale legii a doua sunt cazuri speciale de formulare cea mai generală.

W. Thomson (Lord Kelvin) a propus în 1851 următoarea formulare: este imposibil, prin intermediul unui agent material neînsuflețit, să se obțină lucru mecanic din orice masă de materie prin răcirea acesteia sub temperatura celui mai rece dintre obiectele din jur.

M. Planck a propus o formulare mai precisă decât cea a lui Thomson: este imposibil să se construiască o mașină care funcționează periodic, a cărei întreagă funcționare ar fi redusă la conceptul unei anumite sarcini și răcirea unei surse de căldură. O mașină care funcționează periodic trebuie înțeleasă ca un motor care transformă în mod continuu (într-un proces ciclic) căldura în muncă. Într-adevăr, dacă ar fi posibil să se construiască un motor termic care pur și simplu să preia căldură de la o sursă și să o transforme continuu (ciclic) în muncă, atunci acest lucru ar contrazice propoziția că munca poate fi realizată de sistem numai atunci când nu există energie în acest sistem.echilibru (în special în raport cu un motor termic – când există o diferență de temperatură între sursele calde și reci din sistem).

Dacă nu ar exista restricții impuse de cea de-a doua lege a termodinamicii, atunci aceasta ar însemna că este posibil să se construiască un motor termic cu o singură sursă de căldură. Un astfel de motor ar putea funcționa prin răcirea, de exemplu, a apei din ocean. Acest proces ar putea continua până când toată energia internă a oceanului a fost transformată în muncă. Un motor termic care ar acționa în acest fel a fost numit pe bună dreptate de W.F. Ostwald mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel (spre deosebire de mașina cu mișcare perpetuă de primul fel, care funcționează contrar legii conservării energiei). În conformitate cu cele de mai sus, formularea celei de-a doua legi a termodinamicii dată de Planck poate fi modificată după cum urmează: implementarea unei mașini cu mișcare perpetuă de al doilea fel este imposibilă.

Trebuie remarcat faptul că existența unei mașini cu mișcare perpetuă de al doilea fel nu contrazice prima lege a termodinamicii; de fapt, în acest motor, munca s-ar face nu din nimic, ci datorită energiei interne conținute în sursa de căldură, astfel încât din punct de vedere cantitativ, procesul de obținere a muncii din căldură în acest caz nu ar fi imposibil. . Cu toate acestea, existența unui astfel de motor este imposibilă din punctul de vedere al laturii calitative a procesului de transfer de căldură între corpuri.
Conceptul de entropie
Discrepanța dintre transformarea căldurii în muncă și a muncii în căldură duce la o orientare unilaterală a proceselor reale din natură, care reflectă semnificația fizică a celei de-a doua legi a termodinamicii în legea existenței și creșterii proceselor reale a unui anumită funcție numită entropie , definind măsura deprecierii energiei.

Adesea, a doua lege a termodinamicii este prezentată ca un principiu unificat al existenței și creșterii entropiei.

Principiul existenței entropiei este formulată ca o expresie matematică a entropiei sistemelor termodinamice în condiții de flux reversibil al proceselor:

Principiul de creștere a entropiei se reduce la afirmația că entropia sistemelor izolate crește invariabil cu orice modificare a stării lor și rămâne constantă doar cu un flux reversibil de procese:

Ambele concluzii despre existența și creșterea entropiei sunt obținute pe baza unor postulate care reflectă ireversibilitatea proceselor reale din natură. Cel mai adesea, postulatele lui R. Clausius, W. Thompson-Kelvin, M. Planck sunt folosite pentru a demonstra principiul combinat al existenței și creșterii entropiei.

În realitate, principiile existenței și creșterii entropiei nu au nimic în comun. Conținutul fizic: principiul existenței entropiei caracterizează proprietățile termodinamice ale sistemelor, iar principiul creșterii entropiei este cel mai probabil curs al proceselor reale. Expresia matematică a principiului existenței entropiei este egalitatea, iar principiul creșterii este inegalitatea. Aplicații: pentru a studia principiul existenței entropiei și consecințele care decurg din aceasta proprietăți fizice substanțe și principiul creșterii entropiei - pentru a judeca cursul cel mai probabil al fenomenelor fizice. Sensul filozofic al acestor principii este, de asemenea, diferit.

În acest sens, principiile existenței și creșterii entropiei sunt considerate separat și expresii matematice căci orice corp se obţin pe baza diverselor postulate.

Concluzia despre existența temperaturii absolute T și a entropiei s ca funcții termodinamice ale stării oricăror corpuri și sisteme este conținutul principal al celei de-a doua legi a termodinamicii și se aplică oricăror procese - reversibile și ireversibile.
săgeata timpului
În toate procesele există o direcție distinctă în care procesele trec de la o stare mai ordonată la una mai puțin ordonată.

Cu cât este mai multă ordine în sistem, cu atât este mai dificil să-l restabiliți din dezordine. Este incomparabil mai ușor să spargi sticla decât să faci una nouă și să o pui într-un cadru. Este mult mai ușor să ucizi o ființă vie decât să o readuci la viață, dacă este posibil. „Dumnezeu a creat un mic bug. Dacă o zdrobiți, va muri”, o astfel de epigrafă a fost pusă de biochimistul american Szent Györgyi în cartea sa „Bioenergetică”.

Direcția aleasă a timpului („săgeata timpului”), percepută de noi, este în mod evident legată tocmai de direcția proceselor din lume.
Concluzie
Datorită faptului că producția continuă de muncă din căldură este posibilă numai dacă o parte din căldura preluată de la sursa fierbinte este transferată la sursa rece, o caracteristică importantă a proceselor termice trebuie subliniată: lucru mecanic, lucru electric, lucru al forțelor magnetice etc. poate fi transformat în căldură fără reziduuri.În ceea ce privește căldura, doar o parte din aceasta poate fi transformată într-un proces care se repetă periodic în muncă mecanică și de altă natură; cealaltă parte trebuie inevitabil transferată la sursa rece. Această caracteristică cea mai importantă a proceselor termice determină poziția specială pe care procesul de obținere a muncii din căldură o ocupă prin orice alte metode de obținere a muncii (de exemplu, obținerea de lucru mecanic datorită energiei cinetice a corpului, obținerea de energie electrică datorită lucrului mecanic, producerea muncii). camp magnetic din cauza energiei electrice etc.). Cu fiecare dintre aceste metode de transformare, o parte din energie trebuie cheltuită pe pierderi inevitabile ireversibile, cum ar fi frecarea, rezistența electrică, vâscozitatea magnetică etc., în timp ce se transformă în căldură.

Bibliografie:

G.Ya. Myakishev, A.Z. Sinyakov. Fizica moleculară și termodinamică. Tutorial pentru studiu aprofundat Fizica, 2002

Kirillin V.A. și altele.Temodinamică tehnică: un manual pentru universități.- ed. a IV-a, revizuită.- M .: Energoatomizdat, 1983.

Fundamentele ingineriei termice /V.S. Okhotin, V.F. Zhidkikh, V.M. Lavygin și alții - M.: facultate, 1984.

Porshakov B.P., Romanov B.A. Fundamentele termodinamicii și ingineria termică.- M.: Nedra, 1988.

Inginerie termică / ed. IN SI. Krutova.- M.: Mashinostroenie, 1986

Inginerie termică și inginerie termică. Întrebări generale (carte de referință) .- M .: Energy, 1980.