Оборотні та необоротні процеси. Закон збереження і перетворення енергії стверджує, що кількість енергії за будь-яких 'її перетворень незмінна, але нічого не говорить про те, які енергетичні перетворення можливі. Однак багато процесів, цілком допустимих з погляду закону збереження енергії, ніколи не відбуваються насправді. Наприклад, нагріте тіло, поступово охолоджуючись, передає свою енергію холоднішим тілам, які його оточують. А от зворотний процес передавання теплоти від холодного тіла до гарячого самовільно відбуватися не може. Таких прикладів можна навести безліч.

На основі багатовікових спостережень за явищами природи в людини склалося уявлення про спрямованість процесів. Умовно їх можна поділити на два класи:

1) природні, які «самі по собі» прямують до рівноважного стану, що відповідає мінімальному значенню потенціальної енергії. Наприклад, перехід тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого, вирівнювання тисків, падіння тіла тощо;

2) штучні, які «самі по собі» відбуватись не можуть. Наприклад, перетворення теплоти в роботу, створення різниці тисків, піднімання тіла тощо.

Поділ процесів на природні та штучні тісно пов’язаний у термодинаміці з поняттям про оборотні й необоротні процеси. Але при цьому слід мати на увазі, що поняття оборотного й необоротного процесів стосується винятково процесів, які відбуваються в ізольованій системі. Якщо ізольована система переходить зі стану А в стан В, а потім знову повертається у стан А (мал. 146), то при цьому слід розрізняти два випадки. 1) Система може повернутися зі стану В у стан А в результаті процесу, що не залишає ніяких змін у навколишньому середовищі; у цьому разі ми називаємо процес оборотним.

2) Повернення системи в стан А неможливе без того, щоб у навколишньому середовищі не відбулося якихось змін; тоді процес АВ називають необоротним.

Усі процеси в природі необоротні, оскільки вони супроводжуються теплопровідністю, випромінюванням, тертям тощо.

Можна дати ще й таке визначення оборотного процесу: оборотним процесом називається процес, який допускає можливість такого повернення системи у вихідний стан, але при цьому система проходить через ті самі проміжні стани, що й у прямому процесі. Це можливо лише тоді, коли система проходить через рівноважні стани, тобто оборотний процес має бути рівноважним. Строго кажучи, рівноважними можуть бути лише ті процеси, які відбуваються нескінченно повільно.

Часто процеси, близькі до оборотних, створюють штучно. Якщо наприклад, газ, який міститься в циліндрі, стискається й розширюється швидко, то цей процес буде необоротним, бо система в прямому і зворотному напрямках проходить через різні стани. Якщо ж процес стискання й розширення проходить настільки повільно, що в будь-який момент часу параметри системи в усіх її точках будуть однаковими, можна вважати, що газ переходить від одного стану рівноваги до іншого. Такий процес можна наближено вважати оборотним.

Другий закон термодинаміки. Напрямок можливих енергетичних перетворень вказує другий закон термодинаміки. Він підтверджує необоротність процесів у природі й був сформульований на основі дослідних фактів Рудольфом Клаузіусом у 1850 р.

Неможливо передати теплоту від більш холодної системи до більш гарячої, якщо не відбувається інших одночасних змін в обох системах або тілах, які їх оточують.

Є ще ряд формулювань другого закону.

Формулювання Анрі Пуанкаре: неможливо привести в дію теплову машину за допомогою лише теплового резервуара.

Формулювання Макса Планка: неможливо побудувати періодично діючу машину, вся діяльність якої зводиться до підняття тягаря й охолодження теплового резервуара.

Формулювання Вільяма Томсона (лорда Кельвіна): неможливо здійснити такий періодичний процес, єдиним результатом якого буде виконання роботи за рахунок теплоти, відібраної в нагрівника.

На малюнку 147 зображено схеми процесів, що забороняються другим законом, але які не забороняються першим законом термодинаміки.

Мал. 147 Схеми процесів, що відповідають двом формулюванням другого закону термодинаміки: а — В. Томсона; б — Р Клаузіуса

Гіпотетичну теплову машину, у якій міг би відбуватися такий процес, називають «вічним двигуном другого роду». У земних умовах така машина могла б відбирати теплову енергію, наприклад, у Світового океану, і повністю перетворювати її на роботу. Маса води у Світовому океані дорівнює приблизно 10²¹ кг, і при її охолодженні на один градус виділилася б величезна кількість енергії (близько 10²⁴ Дж), еквівалентна повному спалюванню 10¹⁷ кг вугілля. Енергії, яку щороку виробляють на Землі, приблизно в 10⁴ разів менше. Тому «вічний двигун другого роду» був би для людства досить привабливим, і до цього часу є охочі, яких не полишає ідея його створення.

Поняття ентропії. Необхідність формулювання другого закону термодинаміки кожного разу по-новому, пристосовуючи його зміст до конкретного процесу, не могла задовольнити вчених. Тоді Клаузіусом у 1854 р. був введений у термодинаміку новий параметр, який назвали ентропія (від грец. «ентропе», що означає — спрямована всередину, недоступна до подальшого перетворення).

Прийнято вважати, що перехід системи з більш впорядкованого в менш впорядкований стан супроводжується збільшенням ентропії. Що більшою є ентропія, то більш невпорядкована (хаотична) система.

Виходячи з такого означення, зрозуміло, що ентропія зростає в результаті перетворення твердих речовин у рідину, рідин — у газ, а також під час розчинення речовин. У всіх цих випадках спостерігається зменшення порядку в розташуванні частинок системи. Навпаки, під час конденсації, кристалізації ентропія речовин зменшується.

Отже, ймовірність стану речовини (газу, рідини, кристалу) можна схарактеризувати як певну властивість системи, яка кількісно виражається ентропією.

Ентропією називають фізичну величину, що, як і внутрішня енергія, характеризує стан системи (тіла). Ентропію позначили літерою S, а її зміну — ΔS.

Ентропія, S — кількісна характеристика невпорядкованості системи; що більшою є хаотичність системи, то більше значення ентропії.

Незважаючи на те, що це кількісна характеристика, ми розглянемо її лише на якісному рівні, оскільки використання формули, яка пов’язує ентропію з іншими параметрами, потребує знань з математики, що виходять за межі шкільної програми.

У загальному випадку цей термін визначає напрямок процесу (мал. 148): якщо в системі в стані А ентропія менша, ніж у стані В, то система з А в В може перейти самочинно. Якщо ж А має більшу ентропію, ніж В, то система з А в В самочинно жодним способом перейти не може, навіть тоді, коли А і В мають однакові енергії.

Тепер другий закон термодинаміки можна сформулювати так:

у ізольованій макроскопічній системі ентропія залишається або незмінною, або зростає (у нерівноважних процесах), досягаючи максимуму при встановленні термодинамічної рівноваги (закон зростання ентропії).

Щоб підкреслити статистичну природу другого закону термодинаміки, Джеймс Максвелл у 1867 р. запропонував уявний експеримент з метою проілюструвати удаваний парадокс другого закону термодинаміки (мал. 149). Його головний персонаж — гіпотетична розумна істота мікроскопічного розміру (названа «демоном Максвелла»). Уявімо посудину, заповнену газом певної температури. Її розділяє перегородка із заслінкою, яку «демон» відкриває, щоб пропускати швидкі частинки в один бік, а повільні — в інший. Отже, через деякий час в одній частині посудини сконцентруються швидкі частинки, а в іншій — повільні. Таким чином, усупереч другому закону термодинаміки, виходить, що «демон Максвелла» дає змогу нагріти праву частину посудини й охолодити ліву. Але для такого функціонування «демона Максвелла» якраз і необхідна передача йому енергії від стороннього джерела. За рахунок цієї енергії й проводиться поділ швидких і повільних молекул у посудині, тобто перехід у стан з меншою ентропією.

Після розробки теорії термодинаміки, розглядалась гіпотеза про «теплову смерть Всесвіту». Коли Всесвіт самочинно досягне вирівнювання температури, настане так звана «теплова смерть». Це означає, що всі зорі погаснуть, уся матерія розпадеться на частинки та випромінювання. Всесвіт стане рівномірно холодним, мертвим і порожнім. На початку 1900-х загальна теорія відносності Ейнштейна проголосила, що у Всесвіті може бути інший сценарій розвитку. Про це детальніше ми поговоримо в 11 класі.

Третій закон термодинаміки. Як уже зазначалося, перший і другий закони термодинаміки були сформульовані як принципи неможливості двигунів першого і другого роду. Третій закон термодинаміки сформульовано як принцип неможливості досягнення абсолютного нуля температур. Розглядаючи максимально можливі теплоту й роботу хімічних реакцій, що здійснюються близько до абсолютного нуля температури, німецький фізик і фізикохімік Вальтер Нернст (1864 - 1941) відмітив, що поблизу абсолютного нуля температури значення всіх теплоємностей починає дорівнювати нулю й ентропії S усіх речовин, що перебувають у рівноважному стані, стають незмінними та рівними між собою. З вищезгаданого міркування випливає, що ані шляхом відведення тепла (тобто охолоджуванням тіла), ані шляхом здійснення якої-небудь роботи поблизу абсолютного нуля знизити температуру тіла неможливо. Цей висновок формулюється як третій закон термодинаміки: абсолютний нуль температури недосяжний.

Із цього закону випливає, що в області абсолютного нуля не відбувається теплообміну системи з навколишнім середовищем і що низка функцій системи не залежать від температури. Отже, ще не досягнувши абсолютного нуля, система набуває такого стану, що його досягнення стає взагалі неможливим. Наприклад, для алмазу такий стан лежить у межах 40 K.

Отже, не можна створити машину, яка здатна взяти всю теплоту від тіла, тобто охолодити його до абсолютного нуля.

ЗНАЮ, вмію, розумію

1. Який процес називають оборотним; необоротним?

2. У чому полягає фізичний зміст другого закону термодинаміки? Які існують формулювання цього закону?

3. Що таке ентропія? Як змінюється ентропія ізольованої системи для оборотних і необоротних процесів?

4. Чи спрацьовує правило незворотності термодинамічних процесів у системі, яка складається з трьох молекул газів?

5. Чи можна було б користуватися вітряними двигунами, якби температура атмосферного повітря була скрізь однаковою?

6. Чи може механічний рух твердого тіла перетворитися на тепловий невпорядкова-ний рух його молекул без участі інших тіл?

7. Якщо доведено, що абсолютний нуль недосяжний, то чи існує максимальне значення абсолютної температури?

Це матеріал з підручника Фізика і астрономія за 10 клас Засєкіна (профільний рівень)