Второй закон термодинамики. Необратимость процессов
Тема урока: Второй закон термодинамики. Необратимость процессов
Цели урока
Понять, чего не хватает первому закону термодинамики
Выучить формулировки второго закона и смысл необратимости
Научиться проверять тепловые машины «на честность» расчётом
Основная часть урока
1. Почему первого закона мало?
Первый закон следит только за балансом энергии. Он не запрещает, например, чтобы холодный чай сам собой закипел, забрав тепло у комнаты: энергия сохранилась бы. Но так никогда не происходит. Значит, у природы есть ещё одно правило — о направлении процессов. Это и есть второй закон термодинамики.
2. Две классические формулировки
Клаузиус: теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему.
Кельвин: невозможен процесс, единственный результат которого — превращение всей полученной от нагревателя теплоты в работу.
Важно: обе формулировки равносильны. Из второй следует запрет «вечного двигателя второго рода» — машины, которая давала бы работу, просто охлаждая океан или воздух.
3. Необратимость процессов
Все реальные тепловые процессы необратимы: они сами по себе идут только в одну сторону. Чай остывает, капля чернил расплывается в воде, запах духов расходится по комнате — обратного «сматывания» никто не видел. Обратимый процесс — это идеализация: он должен идти бесконечно медленно и без потерь на трение и теплообмен.
4. Статистический смысл: порядок и беспорядок
Молекул в теле невообразимо много, и система сама собой переходит в наиболее вероятное состояние. Состояние «все быстрые молекулы собрались в одном углу» в принципе возможно, но настолько маловероятно, что за время жизни Вселенной не случится. Меру этого «беспорядка» физики называют энтропией: в замкнутой системе она не убывает. Поэтому тепло растекается, а не собирается.
5. Второй закон и тепловые машины
Из второго закона следует: у любой тепловой машины КПД меньше 100%, а максимум даёт идеальная машина Карно: ηmax = (T1 − T2)/T1, где T1 — температура нагревателя (К), T2 — температура холодильника (К). Проверим это в задачах.
Задача 1. Нагреватель имеет температуру 600 К, холодильник — 300 К. Каков максимально возможный КПД машины?
Записываем формулу Карно: ηmax = (T1 − T2)/T1.
Подставляем: ηmax = (600 − 300)/600 = 300/600 = 0,5.
Ответ: 50%. Проверка: КПД < 100% — второму закону не противоречит.
Задача 2. Изобретатель уверяет: его двигатель за цикл получает от нагревателя (T1 = 500 К) теплоту Q1 = 1000 Дж, отдаёт холодильнику (T2 = 300 К) теплоту Q2 = 500 Дж. Возможен ли такой двигатель?
КПД заявленной машины: η = (Q1 − Q2)/Q1 = (1000 − 500)/1000 = 0,5, то есть 50%.
Предел по Карно для этих температур: ηmax = (500 − 300)/500 = 0,4, то есть 40%.
Сравниваем: 50% > 40%. Заявленный КПД выше предельного.
Ответ: такой двигатель невозможен — он нарушает второй закон термодинамики. Проверка: энергия при этом сохраняется (1000 = 500 + 500), то есть первый закон обмануть «удалось» бы — ловит нарушителя именно второй.
Типичные ошибки
❌ «Тепло вообще не может перейти от холодного к горячему». → ✅ Может, но не само: нужна затрата работы — так устроен холодильник.
❌ Думают, что идеальная машина имеет КПД 100%. → ✅ Даже у машины Карно η < 100%, пока T2 выше абсолютного нуля.
❌ Подставляют в формулу Карно температуры в °C. → ✅ Только в кельвинах: T(К) = t(°C) + 273.
❌ Проверяют «супердвигатель» только по балансу энергии. → ✅ Сравнивай его КПД с пределом Карно.
Готовишься к контрольной?
Второй закон — любимая тема для вопросов «на понимание», и зубрёжка тут не спасает. В онлайн-школе «Моя школа LS» живые уроки с учителем в малых группах с 1 по 11 класс: потренируем и формулировки, и задачи на КПД до полной уверенности.
Мини-конспект
Первый закон — про баланс энергии, второй — про направление процессов.
Клаузиус: тепло само идёт только от горячего к холодному.
Кельвин: нельзя всю теплоту превратить в работу без других изменений.
Вечный двигатель второго рода невозможен.
Реальные тепловые процессы необратимы; энтропия замкнутой системы не убывает.
Предел КПД: ηmax = (T1 − T2)/T1, температуры — в кельвинах.
Зачем это нужно?
Холодильник и кондиционер «гонят» тепло против его естественного хода — за счёт работы компрессора
Инженеры оценивают по Карно, какой КПД электростанции вообще достижим
Второй закон объясняет «стрелу времени»: почему прошлое отличается от будущего
Он задаёт направление тепловых процессов: теплота самопроизвольно переходит только от горячего тела к холодному, и невозможно превратить всю полученную теплоту в работу без других изменений. Отсюда — запрет вечного двигателя второго рода.
По формуле Карно: η = (T1 − T2)/T1 = (400 − 300)/400 = 100/400 = 0,25. Максимальный КПД — 25%, и никакая реальная машина при этих температурах его не превысит.
Такой двигатель должен был бы всю теплоту, взятую у одного тела, превращать в работу. Но по второму закону часть теплоты обязательно передаётся холодильнику: без перепада температур тепловая машина работать не может.
Оцените урок:
