عدم رجعة العمليات الحرارية. القانون الثاني للديناميكا الحرارية. مفهوم الانتروبيا الطبيعة التي لا رجعة فيها للعمليات الحرارية لفترة وجيزة

ووفقا لهذا القانون، لا يمكن للطاقة أن تفنى أو تفنى؛ فهو ينتقل من نظام إلى آخر ويتحول من شكل إلى آخر. لم يتم ملاحظة العمليات التي تنتهك القانون الأول للديناميكا الحرارية. في الشكل. 1.5.14 يوضح الأجهزة المحظورة بموجب القانون الأول للديناميكا الحرارية.

القانون الأول للديناميكا الحرارية لا يحدد اتجاه العمليات الحرارية. ومع ذلك، كما تظهر التجربة، لا يمكن أن تحدث العديد من العمليات الحرارية إلا في اتجاه واحد. تسمى مثل هذه العمليات لا رجعة فيه. على سبيل المثال، أثناء الاتصال الحراري بين جسمين لهما درجات حرارة مختلفة، يتم توجيه تدفق الحرارة دائمًا من الجسم الأكثر دفئًا إلى الجسم البارد. لا توجد أبدًا عملية تلقائية لانتقال الحرارة من جسم بدرجة حرارة منخفضة إلى جسم بدرجة حرارة أعلى. وبالتالي، فإن عملية نقل الحرارة عند اختلاف محدود في درجة الحرارة لا رجعة فيها.

عكسهاالعمليات هي عمليات انتقال النظام من حالة توازن إلى أخرى، والتي يمكن تنفيذها في الاتجاه المعاكس من خلال نفس التسلسل لحالات التوازن المتوسطة. وفي هذه الحالة يعود النظام نفسه والأجسام المحيطة به إلى حالته الأصلية.

تسمى العمليات التي يظل خلالها النظام في حالة توازن طوال الوقت شبه ساكنة. جميع العمليات شبه الساكنة قابلة للعكس. جميع العمليات القابلة للعكس شبه ثابتة.

إذا تم ملامسة مائع التشغيل لمحرك حراري بخزان حراري، حيث تظل درجة حرارته دون تغيير أثناء عملية التبادل الحراري، فإن العملية الوحيدة القابلة للعكس ستكون عملية شبه ثابتة متساوية الحرارة تحدث عند اختلاف ضئيل للغاية في درجات حرارة سائل العمل والخزان. إذا كان هناك خزانان حراريان لهما درجات حرارة مختلفة، فيمكن تنفيذ العمليات بطريقة عكسية في قسمين متساوي الحرارة. نظرًا لأنه يمكن أيضًا تنفيذ العملية الأديباتية في كلا الاتجاهين (الضغط الأديباتي والتمدد الأديباتي)، فهي عملية دائرية تتكون من اثنين من متساوي الحرارة واثنين من الأديابات ( دورة كارنو) هي العملية الدائرية الوحيدة القابلة للعكس والتي يتم فيها تلامس مائع العمل حرارياً مع خزانين حراريين فقط. جميع العمليات الدائرية الأخرى التي يتم إجراؤها باستخدام خزانين للحرارة لا رجعة فيها.

لا رجعة فيها هي عمليات تحويل العمل الميكانيكي إلى طاقة داخلية للجسم بسبب وجود الاحتكاك، وعمليات الانتشار في الغازات والسوائل، وعمليات خلط الغازات في وجود فرق الضغط الأولي، وما إلى ذلك. جميع العمليات الحقيقية لا رجعة فيها، ولكن يمكنهم التعامل مع عمليات الإغلاق التعسفي القابلة للعكس. العمليات العكسية هي عمليات مثالية للعمليات الحقيقية.

لا يستطيع القانون الأول للديناميكا الحرارية التمييز بين العمليات العكسية والعمليات التي لا رجعة فيها. إنها تتطلب ببساطة توازنًا معينًا للطاقة من عملية ديناميكية حرارية ولا تقول شيئًا عما إذا كانت هذه العملية ممكنة أم لا. يتم تحديد اتجاه العمليات التي تحدث تلقائيًا بموجب القانون الثاني للديناميكا الحرارية. يمكن صياغته في شكل حظر على أنواع معينة من العمليات الديناميكية الحرارية.

قدم الفيزيائي الإنجليزي دبليو. كلفن الصيغة التالية للقانون الثاني في عام 1851:

في المحرك الحراري الذي يعمل بشكل دوري، تكون العملية مستحيلة، والنتيجة الوحيدة لها هي تحويل كامل كمية الحرارة الواردة من خزان حراري واحد إلى عمل ميكانيكي.

يُطلق على المحرك الحراري الافتراضي الذي يمكن أن تحدث فيه مثل هذه العملية اسم "آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني". في ظل الظروف الأرضية، يمكن لمثل هذه الآلة أن تأخذ الطاقة الحرارية، على سبيل المثال، من المحيط العالمي وتحولها بالكامل إلى عمل. تبلغ كتلة الماء في المحيط العالمي حوالي 1021 كجم، وتبريدها بدرجة واحدة من شأنه أن يطلق كمية هائلة من الطاقة (≈1024 جول)، أي ما يعادل الاحتراق الكامل لـ 1017 كجم من الفحم. الطاقة المولدة سنويًا على الأرض أقل بحوالي 10 4 مرات. ولذلك فإن "آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني" لن تكون أقل جاذبية للبشرية من "آلة الحركة الدائمة من النوع الأول"، التي يحظرها القانون الأول للديناميكا الحرارية.

أعطى الفيزيائي الألماني ر. كلوزيوس صيغة مختلفة

لا رجعة فيهمُسَمًّى العملية الجسديةوالتي يمكن أن تتدفق تلقائيًا في اتجاه واحد محدد فقط.

وفي الاتجاه المعاكس، يمكن أن تحدث مثل هذه العمليات فقط كحلقة من الروابط في عملية أكثر تعقيدًا.

تقريبا جميع العمليات التي تحدث في الطبيعة لا رجعة فيها. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في أي عملية حقيقية، يتم تبديد جزء من الطاقة بسبب الإشعاع والاحتكاك وما إلى ذلك. على سبيل المثال، الحرارة، كما هو معروف، تنتقل دائمًا من جسم أكثر سخونة إلى جسم أكثر برودة - وهذا هو الأكثر شيوعًا مثال على عملية لا رجعة فيها (على الرغم من أن التحول العكسي لا يتعارض مع قانون الحفاظ على الطاقة).

كما أن الكرة (البندول) المعلقة على خيط خفيف لن تزيد أبدًا من سعة اهتزازاتها تلقائيًا؛ بل على العكس من ذلك، بمجرد تحريكها بواسطة قوة خارجية، فإنها ستتوقف في النهاية نتيجة لمقاومة الهواء واحتكاك الخيط على التعليق. وهكذا تتحول الطاقة الميكانيكية المنقولة إلى البندول إلى طاقة داخلية للحركة الفوضوية للجزيئات (الهواء، المادة المعلقة).

رياضياً، يتم التعبير عن عدم رجعة العمليات الميكانيكية في حقيقة أن معادلة حركة الأجسام العيانية تتغير مع تغير علامة الزمن: فهي ليست ثابتة عند استبدالها رعلى - ر. وفي هذه الحالة فإن التسارع والقوى تبعاً للمسافات لا تغير إشاراتها. علامة الاستبدال رعلى - ريتغير مع السرعة. وبناء على ذلك فإن القوة التي تعتمد على السرعة، وهي قوة الاحتكاك، تتغير علامتها. ولهذا السبب، عندما يتم تنفيذ العمل بواسطة قوى الاحتكاك، فإن الطاقة الحركية للجسم تتحول بشكل لا رجعة فيه إلى طاقة داخلية.

يشير اتجاه العمليات في الطبيعة القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية- أحد القوانين الأساسية للديناميكا الحرارية، الذي يحدد عدم رجعة العمليات الديناميكية الحرارية الحقيقية.

تمت صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية كقانون للطبيعة بواسطة N. L. S. Carnot في عام 1824، ثم بواسطة W. Thomson (Kelvin) في عام 1841 وR. Clausius في عام 1850. صيغ القانون مختلفة، ولكنها متكافئة.

وقد صاغ العالم الألماني ر. كلوزيوس القانون على النحو التالي: من المستحيل نقل الحرارة من نظام أكثر برودة إلى نظام أكثر سخونة في غياب تغييرات أخرى متزامنة في كلا النظامين أو الأجسام المحيطة.وهذا يعني أن الحرارة لا يمكن أن تنتقل تلقائيا من الجسم البارد إلى الجسم الأكثر سخونة ( مبدأ كلوزيوس).

ووفقا لصياغة طومسون، فإن العملية التي يتحول فيها الشغل إلى حرارة دون أي تغييرات أخرى في حالة النظام هي عملية لا رجعة فيها، أي أنه من المستحيل تحويل كل الحرارة المأخوذة من الجسم إلى شغل دون إجراء أي تغييرات أخرى في الجسم. حالة النظام ( مبدأ طومسون).

ينص قانون حفظ الطاقة على أن كمية الطاقة في أي عملية تبقى دون تغيير. لكنه لم يذكر شيئًا عن تحولات الطاقة الممكنة.

قانون الحفاظ على الطاقة لا يحظر العمليات التي من ذوي الخبرة لا تحدث:

تسخين جسم أكثر حرارة بجسم أكثر برودة؛

التأرجح التلقائي للبندول من حالة السكون؛

جمع الرمل في الحجر، الخ.

العمليات في الطبيعة لها اتجاه معين. ولا يمكنها التدفق تلقائيًا في الاتجاه المعاكس. جميع العمليات في الطبيعة لا رجعة فيها(الشيخوخة وموت الكائنات الحية).

لا رجعة فيهيمكن أن تسمى العملية مثل هذه العملية، والتي يمكن أن يحدث عكسها فقط كحلقة من الروابط لعملية أكثر تعقيدًا. تلقائيوهي العمليات التي تحدث دون تأثير الهيئات الخارجية، وبالتالي دون تغييرات في هذه الهيئات).

تسمى عمليات انتقال النظام من حالة إلى أخرى، والتي يمكن إجراؤها في الاتجاه المعاكس من خلال نفس التسلسل لحالات التوازن الوسيطة، عكسها. في هذه الحالة، يعود النظام نفسه والأجسام المحيطة به تمامًا إلى حالته الأصلية.

يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى اتجاه تحولات الطاقة المحتملة وبالتالي يعبر عن عدم رجعة العمليات في الطبيعة. تم تأسيسها من خلال التعميم المباشر للحقائق التجريبية.

صياغة R. Clausius: من المستحيل نقل الحرارة من نظام أكثر برودة إلى نظام أكثر سخونة في حالة عدم وجود تغييرات متزامنة في كلا النظامين أو الأجسام المحيطة.

صياغة دبليو كلفن: من المستحيل تنفيذ مثل هذه العملية الدورية، والنتيجة الوحيدة التي ستكون إنتاج العمل بسبب الحرارة المأخوذة من مصدر واحد.

من المستحيل وجود آلة حرارية دائمة الحركة من النوع الثاني، أي. محرك يقوم بعمل ميكانيكي عن طريق تبريد أي جسم واحد.

إن تفسير عدم رجعة العمليات في الطبيعة له تفسير إحصائي (احتمالي).

العمليات الميكانيكية البحتة (دون مراعاة الاحتكاك) قابلة للعكس، أي. تكون ثابتة (لا تتغير) عند استبدال t→ -t. معادلات حركة كل جزيء على حدة هي أيضًا ثابتة فيما يتعلق بالتحول الزمني، منذ ذلك الحين تحتوي فقط على قوى تعتمد على المسافة. وهذا يعني أن سبب عدم رجعية العمليات في الطبيعة هو أن الأجسام العيانية تحتوي على عدد كبير جدًا من الجزيئات.

تتميز الحالة العيانية بالعديد من المعلمات الديناميكية الحرارية (الضغط والحجم ودرجة الحرارة وما إلى ذلك). تتميز الحالة المجهرية بتحديد الإحداثيات والسرعات (العزوم) لجميع الجسيمات التي يتكون منها النظام. يمكن تحقيق حالة مجهرية واحدة بواسطة عدد كبير من الحالات المجهرية.

دعونا نشير إلى: N هو العدد الإجمالي لحالات النظام، N 1 هو عدد الحالات الدقيقة التي تحقق حالة معينة، w هو احتمال حالة معينة.

كلما زاد عدد N1، زاد احتمال وجود حالة كبيرة معينة، أي. كلما طالت مدة بقاء النظام في هذه الحالة. يحدث تطور النظام في الاتجاه من الحالات غير المتوقعة إلى الحالات الأكثر احتمالاً. لأن الحركة الميكانيكية هي حركة مرتبة، والحركة الحرارية فوضوية، ثم تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية. في نقل الحرارة، تكون الحالة التي يكون فيها أحد الجسمين لديه درجة حرارة أعلى (الجزيئات لديها متوسط ​​طاقة حركية أعلى) أقل احتمالا من الحالة التي تكون فيها درجات الحرارة متساوية. ولذلك، فإن عملية التبادل الحراري تحدث في اتجاه معادلة درجات الحرارة.

إنتروبيا - مقياس الاضطراب. ق - الانتروبيا.

حيث k هو ثابت بولتزمان. تكشف هذه المعادلة المعنى الإحصائي لقوانين الديناميكا الحرارية. تزداد كمية الإنتروبيا في جميع العمليات التي لا رجعة فيها. من وجهة النظر هذه، الحياة عبارة عن صراع مستمر لتقليل الإنتروبيا. الإنتروبيا مرتبطة بالمعلومات، لأن المعلومات تؤدي إلى النظام (إذا كنت تعرف الكثير، فسوف تكبر قريبًا).

موضوع الدرس: عدم رجعة العمليات في الطبيعة. مفهوم القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

الهدف من الدرس:

1) إظهار عدم رجعية العمليات في الطبيعة، وتكوين فكرة عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية؛

2) تطوير فهم الهيكل الشامل للعالم المحيط؛

3) تطوير القدرة على العمل بشكل مستقل.

تقدم الدرس:

تحديث المعرفة الأساسية لدى الطلاب:

مهام الاختبار للتكرار (المسح الأمامي)

1. تعتمد الطاقة الداخلية للغاز المثالي على:

أ) على كتلة الغاز والضغط. ب) على ضغط الغاز ج) على كتلة الغاز. د) على حجم الغاز. ه) على درجة حرارة الغاز.

2. صيغة لحساب الطاقة الداخلية للغاز المثالي أحادي الذرة

أ). في) مع)
. د)
. ه) .

3. عند حدوث عملية متساوية الحرارة تكون القيمة صفر

أ) أ'. ب) أ. ج) ΔU. د) س. ه) الكهروضوئية.

4. عند الضغط المستمر 10 5 قام غاز Pa بـ 10 أعمال 4 ي. حجم الغاز في هذه الحالة

أ) زيادة بمقدار 1 م 3 . ب) زيادة بمقدار 10 م 3 . ج) زاد بمقدار 0.1 م 3 . د) انخفض بمقدار 0.1 م 3 .

ه) انخفض بمقدار 10 م 3 .

5. عند حدوث عملية متساوية، تكون القيمة مساوية للصفر

أ) ΔU. ب) الكهروضوئية. ج) أ. د) س. ه) ش.

6. عند الضغط المستمرص زاد حجم الغاز بمقدار ΔV . الكمية مساوية للمنتجص ·Δ V في هذه الحالة يطلق عليه:

أ) الشغل المبذول على الغاز بواسطة قوى خارجية. ب) الطاقة الداخلية للغاز.

ج) كمية الحرارة التي يستقبلها الغاز. د) الشغل المبذول بواسطة الغاز. ه) كمية الحرارة المنبعثة من الغاز.

7. يتم تنفيذ العمل أثناء التمدد الأديابي للغاز المثالي بسبب

أ) تقليل الطاقة الداخلية للغاز. ب) كمية الحرارة المتلقاة.

ج) التغيرات في الضغط. د) كمية الحرارة المعطاة. ه) زيادة الطاقة الداخلية للغاز.

8. عند حدوث عملية كاظمة الحرارة، تكون القيمة مساوية للصفر

A) A". B) Q. C) A. D) U. E) ΔU.

9. أثناء التمدد متساوي الحرارة، تمت إضافة 10 J من الحرارة إلى الغاز المثالي. الشغل الذي يبذله الغاز هو

أ) 2.5 ج. ب) 10 ج. ج) 7.5 ج. د) -10 ج. ه) 5 ج.

10. عند تحويل كمية من الحرارة إلى غاز 2 10 4 J قام بعمل يساوي 5 10 4 ي. ثم التغير في الطاقة الداخلية

أ) 510 4 جي في)- 3 10 4 ج.س) 710 4 ج.د) -2 10 4 جي إي) 3 10 4 ج.

11. إذا كان التغير في الطاقة الداخلية 20 كيلو جول، وكان الشغل الذي يبذله الغاز ضد القوى الخارجية 12 كيلو جول، فإن كمية الحرارة انتقلت إلى الغاز

أ) 20 كيلوجول. ب) 10 كيلوجول. ج) 6 كيلوجول. د) 12 كيلوجول. ه) 32 كيلوجول.

12. في العملية متساوية الحرارة، تكون كمية الحرارة المنقولة إلى الغاز 2 10 8 ي. التغير في الطاقة الداخلية للغاز

أ) 610 8 جي في) 10 8 ج.ج) 0. د) 4 10 8 ج.ي) 2 10 8 ج.

13. صيغة القانون الأول للديناميكا الحرارية لعملية متساوية الحرارة (أ - شغل الغاز، أ - شغل القوى الخارجية)

أ) س = أ. ب) ΔU = س. ج) ΔU = A" + Q. D) ΔU = A + A". ه) ΔU = А´.

14. العملية التي لا يعمل فيها الغاز

أ) متساوي الضغط. ب) متساوي الحرارة. ج) ثابت الحرارة. د) متساوي اللون. ه) الغليان.

15. تم اكتشاف القانون الأول للديناميكا الحرارية على أساسه

أ) قانون نيوتن الثاني. ب) قانون نيوتن الأول. ج) قانون حفظ الطاقة.

د) قانون حفظ الزخم. ه) قانون العلاقة بين الكتلة والطاقة.

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

ثانيا . تعلم مواد جديدة

قبل فترة طويلة من اكتشاف قانون الحفاظ على الطاقة، قررت الأكاديمية الفرنسية للعلوم في عام 1775 عدم النظر في مشاريع آلات الحركة الدائمة من النوع الأول. وقد تم اتخاذ قرارات مماثلة في وقت لاحق من قبل المؤسسات العلمية الرائدة في بلدان أخرى.

تُفهم الآلة ذات الحركة الدائمة من النوع الأول على أنها جهاز يمكنه أداء قدر غير محدود من العمل دون استهلاك الوقود أو المواد الأخرى، أي دون إنفاق الطاقة. تم إنشاء الكثير من هذه المشاريع. لكن جميعها لم تعمل إلى الأبد، وهو ما أدى إلى الرأي القائل بأن المسألة هنا ليست النقص في الهياكل الفردية، بل النمط العام.

وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية، إذا كانت Q = 0، فيمكن بذل شغل بسبب انخفاض الطاقة الداخلية. إذا استنفدت إمدادات الطاقة، يتوقف المحرك عن العمل. إذا كان النظام معزولاً ولم يبذل أي شغل، فإن الطاقة الداخلية تبقى دون تغيير.

ينص قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة الداخلية تبقى دون تغيير خلال أي تحول، لكنه لا يذكر أي شيء عن التحولات الممكنة. وفي الوقت نفسه، فإن العديد من العمليات المقبولة تمامًا من وجهة نظر قانون الحفظ لا تحدث في الواقع.

يبرد الجسم الأكثر سخونة من تلقاء نفسه، وينقل طاقته إلى الأجسام الأكثر برودة. إن عملية الانتقال العكسي من الجسم البارد إلى الجسم الأكثر سخونة لا تتعارض مع قانون الحفظ، ولكنها لا تحدث. ويمكن إعطاء العديد من هذه الأمثلة. وهذا يشير إلى أن العمليات في الطبيعة لها اتجاه معين، وليس كما ينعكس في القانون الأول للديناميكا الحرارية. جميع العمليات في الطبيعة لا رجعة فيها (شيخوخة الكائنات الحية).

يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى اتجاه تحولات الطاقة المحتملة وبالتالي يعبر عن عدم رجعة العمليات في الطبيعة. تم تأسيسها من خلال تعميم الخبرة.

صاغها العالم الألماني ر. كلوزيوس بهذه الطريقة:

من المستحيل نقل الحرارة من نظام أكثر برودة إلى نظام أكثر سخونة دون حدوث تغييرات متزامنة في كلا النظامين أو الأجسام المحيطة.

صاغها العالم الإنجليزي دبليو كلفن بهذه الطريقة:

من المستحيل إجراء مثل هذه العملية بشكل دوري، والنتيجة الوحيدة التي ستكون إنتاج العمل بسبب الحرارة المأخوذة من مصدر واحد.

بمعنى آخر، لا يمكن لأي محرك حراري أن يكون معامل كفاءته مساويًا للوحدة.

تسمح صياغة كلفن للقانون الثاني بالتعبير عن هذا القانون كبيان. ومن المستحيل بناء آلة من النوع الثاني ذات الحركة الدائمة، أي إنشاء محرك يقوم بالشغل عن طريق تبريد أي جسم واحد.

إن آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني لا تنتهك قانون حفظ الطاقة، لكن لو كان ذلك ممكنا، لكان لدينا مصدر عمل غير محدود تقريبا، نسحبه من المحيطات ونبردها. إلا أن تبريد المحيط، بمجرد أن تصبح درجة حرارته أقل من درجة الحرارة المحيطة، يعني انتقال الحرارة من جسم أبرد إلى جسم أكثر سخونة، لكن مثل هذه العملية لا يمكن أن تحدث.

يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى اتجاه العمليات في الطبيعة.

ثالثا . حل المشكلة:

1 مهمة . أوجد التغير في الطاقة الداخلية للماء الساخن بسعة 2 م 3 في درجة الحرارة 90 0 ج عندما يتم تبريده إلى درجة حرارة الغرفة (24 0 مع). C=4.19 كيلو جول/كجم*ك، ρ=1000 كجم/م 3

∆ش= س, س= ج· م· ( ر 2 - ر 1 ), م= ρ· V

المهمة 2. أوجد التغير في الطاقة الداخلية للماء عند تسخينه في غلاية كهربائية حتى الغليان.

∆U= أ، أ = ف t P=1.01*10 5 با ر = 100 0 مع

3 مهمة يوجد الغاز في وعاء تحت ضغط 2.510 4 بنسلفانيا. عندما تخبره بكمية الحرارة 610 4 J يتوسع بشكل متساوي بمقدار 2 م 3 . ما مدى تغير الطاقة الداخلية؟ كيف تغيرت درجة حرارته؟

(الإجابة: ∆U= ∆U– A = Q- Р·∆V= 10 4 ي؛ ∆T> 0، لأن ∆U> 0)

رابعا التعزيز (بطاقات مع اختبار لخيارين):

امتحان

1 خيار

ما العلاقة الصحيحة لعملية متساوية الضغط في الغاز؟

أ) ∆U= A B) ∆U= - A C) ∆U= Р·А D) A = Р·∆V

2. كيف تتغير الطاقة الداخلية للغاز أثناء تمدده متساوي الحرارة؟

أ) يزيد. ب) يتناقص. ج) التغير في الطاقة الداخلية يساوي صفراً. د) التغير في الطاقة الداخلية يمكن أن يأخذ أي قيمة.

3. في أي عملية حرارية يحدث تغيير في حالة النظام دون التبادل الحراري؟

أ) إيزوباريك. ب) إيزوهورن. ب) متساوي الحرارة. د) أدياباتيكي.

4. في عملية التمدد الأدياباتي، يبذل الغاز شغلًا يساوي 3 10 10 ي. ما هو التغير في الطاقة الداخلية للغاز؟

أ) ∆U= 3·10 10 ج.ب) ∆U= - 3·10 10 J. C) ∆U= 0. D) ∆U يمكن أن تأخذ أي قيمة.

5. إذا كانت الحرارة الموردة للغاز في إحدى العمليات مساوية للشغل الذي يبذله الغاز، فإن هذه العملية هي:

أ) إيزوباريك. ب) ثابت الحرارة. ب) متساوي الحرارة. د) إيزوكوريك.

6. عند نقل كمية من الحرارة مقدارها 300 J إلى غاز، تنخفض طاقته الداخلية بمقدار 100 J. ما مقدار الشغل الذي يبذله الغاز؟

أ) 100 ج. ب) 400 ج. ج) 200 ج. د) - 100 ج.

الخيار 2

أي من الصيغ التالية تمثل التعبير الرياضي للقانون الأول للديناميكا الحرارية؟

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

2. الطاقة الداخلية للغاز أثناء ضغطه متساوي الحرارة:

أ) ∆U يمكن أن تأخذ أي قيمة. ب) ∆U= 0 C) ∆U> 0 D) ∆U< 0

3. في أي عملية حرارية لا تتغير الطاقة الداخلية للنظام عند انتقاله من حالة إلى أخرى؟

أ) في الإيزوباريك. ب) في isochoric. ب) متساوي الحرارة. د) في الحرارة

4. أثناء عملية التسخين المتساوي، تلقى الغاز 15 ميجا جول من الحرارة. ما التغير في الطاقة الداخلية للغاز؟

أ) ∆U= 0 B) ∆U= - 15 ميجا جول C) ∆U= 15 ميجا جول د) ∆U= 1 J

5. إذا كانت الحرارة الموردة للغاز في بعض العمليات مساوية للتغير في طاقته الداخلية، أي. Q= ∆U، فإن هذه العملية هي:

أ) أدياباتيكي. ب) متساوي الحرارة. ب) إيسوكوريك. د) إيزوباريك.

6. عند نقل 20 كيلو جول من الحرارة إلى الغاز، فإنه يبذل شغلًا يساوي 53 كيلو جول. كيف تغيرت الطاقة الداخلية للغاز؟

أ) زيادة بمقدار 73 كيلوجول. ب) انخفض بمقدار 73 كيلوجول. ب) زيادة بمقدار 33 كيلوجول. د) انخفض بمقدار 33 كيلوجول.

اختبار الفحص الذاتي

1 خيار

الخيار 2

. V. العمل في المنزل:

مهمة في الدفتر (ما كمية الحرارة التي تم توفيرها للهيليوم إذا كان الشغل الذي يبذله الغاز أثناء التمدد متساوي الضغط يساوي 2 كيلو جول؟ ما هو التغير في الطاقة الداخلية للهيليوم؟)

لا يسمح لنا النهج الديناميكي الحراري بالكشف عن الطبيعة الداخلية لعدم رجعة العمليات الحقيقية في الأنظمة العيانية. بناءً على التجربة، فهو يثبت فقط حقيقة اللارجعة (القانون الثاني للديناميكا الحرارية). يسمح لنا النهج الحركي الجزيئي بتحليل أسباب عدم رجعة العمليات الحقيقية واتجاه معين لتحولات الطاقة في الطبيعة.

آلة افتراضية ذات حركة أبدية.دعونا نتأمل، من وجهة نظر نظرية الحركة الجزيئية، نموذج آلة افتراضية ذات حركة دائمة من النوع الثاني، كما هو موضح في الشكل 1. 79. لنفترض أن هذه الآلة ذات الحركة الدائمة تعمل على النحو التالي: يتجمع الغاز تلقائياً في النصف الأيسر من الأسطوانة، وبعد ذلك يتم تحريك المكبس قريباً من الغاز. مع مثل هذه الحركة، لا تقوم القوى الخارجية بأي عمل، لأن الغاز المتجمع في النصف الأيسر لا يضغط على المكبس. ثم نضيف الحرارة إلى الغاز ونجعله يتمدد بشكل متساوي الحرارة

نفس الحجم. في هذه الحالة، يعمل الغاز بسبب الحرارة الموردة. بعد أن يتحرك المكبس إلى الموضع الأيمن المتطرف، ننتظر حتى يتجمع الغاز مرة أخرى تلقائيًا في النصف الأيسر من الوعاء، ثم نكرر كل شيء مرة أخرى. والنتيجة هي آلة تعمل بشكل دوري ولا تعمل إلا عن طريق تلقي الحرارة من البيئة المحيطة.

أرز. 79. أحد الخيارات لآلة الحركة "الدائمة" من النوع الثاني

تتيح لنا النظرية الحركية الجزيئية أن نشرح على الفور سبب عدم عمل هذا الجهاز. وكما رأينا، فإن احتمال أن يتجمع غاز يحتوي على عدد كبير من الجزيئات تلقائيًا مرة واحدة على الأقل في نصف الوعاء لا يكاد يذكر. ومن المستحيل تمامًا أن نتخيل إمكانية تكرار ذلك مرارًا وتكرارًا أثناء تشغيل الآلة.

حول العمليات التي لا رجعة فيها.يمكننا الآن الإشارة إلى معنى مفهوم العملية التي لا رجعة فيها: تكون العملية لا رجعة فيها إذا لم تحدث العملية العكسية فعليًا تقريبًا. لا يوجد حظر صارم لمثل هذه العملية - فمن غير المرجح أن يتم ملاحظتها تجريبياً. وهكذا، فإن المثال المدروس لآلة الحركة الدائمة من النوع الثاني كان مبنيًا على افتراض إمكانية التركيز التلقائي للغاز في نصف الوعاء. وهذه العملية هي عكس عملية تمدد الغاز إلى الفضاء. يعد تمدد الغاز في الفراغ أحد أبرز الأمثلة على العمليات التي لا رجعة فيها - ولم يتم ملاحظة العملية العكسية مطلقًا في نظام مجهري.

وهكذا، من وجهة نظر مفاهيم الميكانيكا الإحصائية، ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أنه في الطبيعة، في الأنظمة العيانية، تتطور العمليات في مثل هذا الاتجاه عندما يتم استبدال الحالات الأقل احتمالاً للنظام بحالات أكثر احتمالاً. هذا التفسير للقانون الثاني للديناميكا الحرارية كان أول من اقترحه بولتزمان.

عند النظر في التقلبات في كثافة الغاز المثالي، وجد أن حالات الغاز التي يكون فيها توزيع الجزيئات قريبًا من التجانس تحدث في كثير من الأحيان أكثر بكثير من الحالات البعيدة عن التوازن مع التوزيع غير المتساوي للجزيئات. بمعنى آخر، فإن الحالات ذات التوزيع غير المتساوي للجزيئات في جميع أنحاء الحجم، والتي يكون فيها عدد الجزيئات في النصفين الأيمن والأيسر من الوعاء مختلفًا تمامًا، لديها احتمالية أقل بكثير من الحالات ذات التوزيع الموحد تقريبًا بالقرب من التوازن. لذلك، فإن عملية التقريب لا رجعة فيها

التوازن هو الانتقال إلى الحالة العيانية الأكثر احتمالا.

عمليات لا رجعة فيها وتدمير النظام.ما قيل أعلاه حول طبيعة عدم رجعة العمليات الحقيقية يمكن صياغته بشكل مختلف إلى حد ما. يمكننا القول أن التحول الذي لا رجعة فيه إلى التوازن هو الانتقال من حالات عدم التوازن عالية الترتيب إلى حالات أقل ترتيبًا وفوضوية.

عندما يتوسع الغاز في الفراغ، فإن الحالة الأولية، عندما يحتل الغاز جزءًا من الحجم المقدم له، تكون مرتبة إلى حد كبير، في حين أن الحالة النهائية للتوازن الحراري، عندما يتم توزيع الغاز بالتساوي في جميع أنحاء حجم الوعاء بأكمله، مضطرب تماما.

مثال آخر هو شعاع موجه من جزيئات الغاز يدخل إلى وعاء تم إخلاؤه. إن إنشاء توزيع متوازن لسرعة ماكسويل للجزيئات هو عملية لا رجعة فيها لانتقال النظام من حالة مرتبة، عندما تكون جميع الجزيئات لها سرعات متطابقة تقريبًا من حيث الحجم والاتجاه، إلى حالة نهائية تتميز بالحركة الفوضوية الكاملة للجزيئات.

من وجهة النظر هذه، من السهل فهم الاتجاه المحدد لتحولات الطاقة في نظام مغلق أنشأه القانون الثاني للديناميكا الحرارية. عندما يتلقى الجسم كمية معينة من الحرارة بسبب العمل الميكانيكي، فإن هذا يعني تحولًا لا رجعة فيه للطاقة الحركية للحركة العيانية المنظمة إلى الطاقة الحركية للحركة الفوضوية للجزيئات. على العكس من ذلك، فإن تحويل الحرارة إلى شغل يعني تحويل طاقة الحركة العشوائية للجزيئات إلى طاقة الحركة المنتظمة لجسم مجهري - مثل هذا التحول التلقائي، كما رأينا، ممكن من حيث المبدأ، ولكن من غير المرجح للغاية.

التقلبات باعتبارها انحرافات عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية.إن الطبيعة التي لا رجعة فيها لعمليات الانتقال إلى حالة التوازن الحراري، التي أنشأها القانون الثاني للديناميكا الحرارية، صالحة فقط للأنظمة العيانية الكبيرة. من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، فإن النظام المعزول الذي وصل إلى حالة من التوازن الحراري لا يمكنه الخروج من هذه الحالة تلقائيًا. ومع ذلك، تسمح الميكانيكا الإحصائية بوجود تقلبات، وهي في الواقع انحرافات عفوية للنظام عن التوازن.

وكما ذكرنا سابقًا، كلما زاد عدد الجسيمات الموجودة في النظام، قل الحجم النسبي لتقلبات أي معلمة مجهرية، وبالنسبة لنظام كبير بما فيه الكفاية، يمكن إهمال التقلبات بشكل عام. ولهذا السبب فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينطبق على مثل هذه الأنظمة، والذي ينص على الزيادة

الانتروبيا في الأنظمة المغلقة مع التعريف الإحصائي للإنتروبيا، يفقد القانون الثاني طابعه المطلق ويتحول إلى قانون إحصائي: أي حالة معينة من النظام المغلق ستتبعها حالات أكثر احتمالا، إن لم يكن بالضرورة، في الغالبية العظمى من الحالات.

في الأنظمة التي تحتوي على عدد صغير من الجسيمات، يكون الحجم النسبي للتقلبات كبيرًا، أي أن الانحرافات التلقائية لكمية ما عن قيمتها المتوسطة يمكن مقارنتها بمتوسط ​​القيمة نفسها. غالبًا ما يترك مثل هذا النظام التوازن تلقائيًا، ولا ينطبق هنا القانون الثاني للديناميكا الحرارية. من الأمثلة النموذجية لانتهاك القانون الثاني للديناميكا الحرارية في الأنظمة الصغيرة بدرجة كافية الحركة البراونية، حيث يتلقى جسيم عياني معلق في سائل طاقة حركية من جزيئات البيئة، على الرغم من أن درجة حرارة البيئة ليست أعلى من درجة حرارة البيئة. درجة حرارة الجسيم البراوني نفسه.

كيف تفسر الميكانيكا الإحصائية عدم رجعة العمليات الحرارية الحقيقية؟

أعط أمثلة على الظواهر التي يلاحظ فيها الخروج التلقائي للنظام من حالة التوازن الديناميكي الحراري.

لماذا تتميز الحالات المرتبة باحتمالية أقل مقارنة بالحالات المضطربة؟

الفرضية الإحصائية.تؤدي حتمية العمليات الحرارية في الطبيعة إلى حقيقة أن الميكانيكا الإحصائية لأنظمة العديد من الجسيمات لا تستنفدها قوانين الميكانيكا العادية (على الرغم من أنها تعتمد عليها)، ولكنها تتطلب الإدخال الإلزامي لفرضية إحصائية إضافية في أحد بشكل أو بآخر، على سبيل المثال، في شكل افتراض حول الاحتمال المتساوي لمختلف الأنظمة المغلقة microstates.

ولكن في الحالات التي يتبين فيها أن العمليات الحرارية غير مهمة، يمكن الحصول على معلومات معينة حول خصائص النظام الديناميكي الحراري بناءً على المفاهيم الميكانيكية فقط. العمليات الحرارية غائبة عمليا في ظل ظروف العزل الحراري في ظل وجود توازن ميكانيكي. في هذه الحالات، تكون الظواهر التي تحدث قابلة للعكس ويمكن استخدام نموذج العملية الأديباتية.

دعونا نبين، على سبيل المثال، كيف يمكن الحصول على المعادلة الأديباتية للغاز المثالي أحادي الذرة، بناءً على وجود ثوابت ثابتة الحرارة في الأنظمة الميكانيكية. دعونا نتذكر (انظر الكتاب الأول) أن الثابت الأديابي هو الكمية التي تميز النظام الميكانيكي والتي يتم الحفاظ عليها عندما تتغير المعلمات الخارجية ببطء. على وجه الخصوص، بالنسبة للكرة التي تنعكس بشكل مرن من جدارين متوازيين يقتربان أو يتحركان بعيدًا ببطء، فإن الثابت الأديابي هو حاصل ضرب المسافة بين الجدران ومعامل سرعة الكرة.

في النموذج الميكانيكي للغاز المثالي كمجموعة من الجزيئات أحادية الذرة المنعكسة بشكل مرن من جدران وعاء كروي، فإن الثابت الكظومي مع تغير بطيء في الحجم V من الوعاء سيكون نتاج الحجم الخطي المميز (نصف القطر). الوعاء ومعامل سرعة الجزيء. في غياب نقل الحرارة، يصف هذا النموذج الميكانيكي بشكل كافٍ العملية الأديباتية الحقيقية للضغط أو التمدد. في الوقت نفسه، يحتفظ المتغير الأدياباتي المشار إليه أيضًا بمعناه: نظرًا لأن نصف القطر متناسب ومعامل السرعة متناسب، إذن

من السهل أن نرى أن هذا يتزامن مع المعادلة الأديباتية التي تم الحصول عليها أعلاه في المتغيرين T وV للغاز المثالي أحادي الذرة، لأنه في هذه الحالة

تحت أي ظروف تكون المفاهيم الميكانيكية البحتة غير مبنية على فرضية إحصائية قابلة للتطبيق على أنظمة ذات عدد كبير من الجسيمات؟

اشتق المعادلة الأديباتية للغاز المثالي من خلال النظر في وعاء أسطواني يتغير حجمه عندما يتحرك المكبس ببطء.