Второй закон термодинамики - ТЕРМОДИНАМИКА

Цель: показать необратимость процессов в природе.

Ход урока

I. Вопросы для повторения

1. Что называется тепловым двигателем?

2. Что называют нагревателем, холодильником?

3. Какова роль их в работе теплового двигателя?

4. Что называют рабочим телом? Какие вещества используются в качестве рабочего тела в двигателях?

5. По какой формуле определяют работу, совершаемую двигателем?

6. Что называется КПД теплового двигателя?

7. По какой формуле определяется КПД машины Карно?

8. Каков КПД двигателей внутреннего сгорания?

II. Самостоятельная работа «Физическое лото»

Карточка учителя

Вопросы	Ответы
Основная часть
1. Как изменится внутренняя энергия идеального газа при адиабатическом расширении?	ΔU < 0
2. Газ, находящийся под давлением р = 105 Па, изобарно расширился от 25 до 50 м3. Определите работу, совершенную газом при расширении	2,5 · 106 Дж
3. Газу передано 100 Дж количества теплоты, а внешние силы совершили над ним работу 300 Дж. Чему равно изменение внутренней энергию газа?	400 Дж
4. Как изменится внутренняя энергия идеального газа при изотермическом сжатии?	ΔU = 0
5. Газ получил количество теплоты 300 Дж. Его внутренняя энергия увеличилась на 200 Дж. Чему равна работа, совершенная газом?	100 Дж
6. Газ, находящийся под давлением р = 105 Па, изобарно расширился, совершив работу А = 25 Дж. На сколько увеличился объем газа?	2,5 · 10-4 м3
Дополнительная часть
1. Какова внутренняя энергия 10 молей одноатомного газа при 27 °С?	3,74 · 104 Дж
2. На сколько изменится внутренняя энергия гелия массой 200 г при увеличении температуры на 20 °С?	1,25 · 104 Дж

Карточка для учащихся

ΔU < 0	1,25 · 104	100	0,00025	400
300	0	ΔU = 0	16,7	2500000
4000	ΔU > 0	3,74 · 104	500	200

III. Изучение нового материала

Задолго до открытия закона сохранения энергии Французская академия наук приняла в 1775 г. решение не рассматривать проектов вечных двигателей первого рода. Подобные решения были приняты позднее ведущими научными учреждениями других стран.

Под вечным двигателем первого рода понимают устройство, которое могло бы совершать неограниченное количество работы без затраты топлива или других материалов, т. е. без затраты энергии. Таких проектов было создано очень много. Но все они не действовали вечно, именно это привело к мнению, что здесь дело не в несовершенстве отдельных конструкций, а в общей закономерности.

Согласно I закону термодинамики, если Q = 0, то работа может совершаться за счет убыли внутренней энергии. Если запас энергии исчерпан, двигатель перестал работать. Если система изолирована и не совершается работа, то внутренняя энергия остается неизменной.

Закон сохранения энергия утверждает, что внутренняя энергия при любых ее превращениях остается неизменной, но ничего не говорит о том, какие превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения, в действительности не протекают.

Более нагретое тело само собой остывает, передавая свою энергию более холодным телам. Обратный процесс передачи от более холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения, но не происходит. Таких примеров можно привести много. Это говорит о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, не как не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе необратимы (старение организмов).

Можно заставить увеличить амплитуду маятника, подтолкнув его, но это произойдет не само собой, это результат более сложного процесса, включающего толчок рукой.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Был установлен путем обобщения опыта.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал его так:

Невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Английский ученый У. Кельвин сформулировал так:

Невозможно осуществлять периодически такой процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Иначе говоря, ни один тепловой двигатель не может иметь коэффициент полезного действия, равный единице.

Формулировка второго закона, данная Кельвином, позволяет выразить этот закон в виде утверждения. Невозможно построить вечный двигатель второго рода, т. е. создать двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-нибудь одного тела.

Вечный двигатель второго рода не нарушает закона сохранения энергии, но если бы он был возможен, мы получили бы практически неограниченный источник работы, черпая ее из океанов и охлаждая их. Однако охлаждение океана, как только его температура становится ниже температуры окружающей среды, означало бы переход теплоты от более холодного к телу более горячему, а такой процесс идти не может.

Второй закон термодинамики указывает направление процессов в природе.

IV. Закрепление изученного

1. Какие процессы считаются необратимыми?

2. Сформулируйте второй закон термодинамики.

3. Как связана формулировка второго закона термодинамики с необратимостью тепловых процессов?

4. В чем заключается статистическая интерпретация второго закона термодинамики?

Домашнее задание

П. 82. Повторить п. 77-82.