Закон сохранения энергии

21 просмотров
Любые студенческие работы ДОРОГО, КАЧЕСТВЕННО
100 руб. бонус за первый заказ. Всего 3 вопроса:

В 1845-1847 гг. получил тщательное обоснование всеобщий закон природы - закон сохранения количества энергии: в изолированной системе количество энергии остается постоянным. Этот закон часто называют первым законом термодинамики. Однако первое строгое определение энергии появилось только в 1857 г. Его дал В. Томсон (лорд Кельвин): энергия материальной системы в определенном состоянии есть измеренная в единицах механической работы сумма всех действий, которые производятся вне системы, когда она любым способом переходит из этого состояния в произвольно выбранное нулевое состояние. Заметив, что все виды энергии превращаются в тепло, которое переходит ко всем более холодным телам и в конечном итоге рассеивается в окружающем пространстве, излучаясь затем в мировое пространство, естествоиспытатели ввели понятие «энтропия» как меру рассеяния энергии. Чем больше рассеивается энергия, тем больше растет энтропия.

Энергия и энтропия - слова греческого происхождения. «Эн» обозначает «в», или «содержащаяся», «эрг» - корень слова «работа», а «тропе» - «превращение». Выбор этих терминов обозначал желание отразить в них сущность соответствующих им понятий: изменение энергии изолированной системы ΔЕ = Е 1 - Е2 выражает максимальное количество работы Wmax, которую система теоретически могла совершить (например, пар в цилиндре), переходя из состояния 1 в состояние 2. Изменение энтропии ΔS = S1- S2 означает ту часть Q = ТΔS запаса энергии Е, которая в реальных условиях перехода при температуре окружающей среды превращается в тепло, рассеивается, уменьшая величину действительной работы до Wp = Wmax –T0ΔS. Р. Клаузиус, предлагая в 1865 г. слово «энтропия», писал, что употребил его для большего сходства со словом «энергия», так как обе соответствующие этим названиям величины близки по физическому смыслу.

Изменение энергии системы определяется только разностью ее значения в начальном и конечном состояниях перехода. Поэтому энергию называют функцией состояния системы.

Энтропия тоже является функцией состояния системы, но количество тепла Q = ТΔS, выражающее потерю энергии, связано с характером протекающего процесса, так как от него зависит количество тепла, рассеивающегося в систему вследствие прямой теплоотдачи системы в окружающую среду и в результате трения. Поэтому-то и реальная работа тоже зависит от характера процесса и никогда не бывает равна теоретической, т.е. изменению энергии.

Опыт свидетельствует, что все процессы в реальных условиях сопровождаются трением и теплообменом с окружающей средой. Это приводит к увеличению энтропии в изолированных системах. В открытых системах энтропия может изменяться под действием внешних сил. Это дало Р. Клаузиусу, В. Томсону и другим исследователям сформулировать новый закон - закон возрастания энтропии (второй закон термодинамики): какие бы изменения ни происходили в реальных изолированных системах, они всегда ведут к увеличению энтропии.

Однако этот закон, основанный на околоземных наблюдениях, Р. Клаузиус распространил на всю Вселенную. Он утверждал, что через какой-либо промежуток времени вся энергия, имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной, приведет к выравниванию температуры и к полному прекращению превращений энергии - к «тепловой смерти Вселенной».

Ограниченность действия закона возрастания энтропии была доказана австрийским физиком Л. Больцманом в 18711 872 гг. Исходя из того, что теплота есть энергия беспорядочного хаотичного движения частиц вещества, он на основе молекулярно-кинетической теории показал, что закон возрастания энтропии не применим к Вселенной, потому что он справедлив лишь для статистических систем, состоящих из большого числа хаотически движущихся (или хаотически расположенных) объектов, поведение которых, определяемое изменением параметров состояния (для газов - это давление, температура, объем), подчиняется законам теории вероятностей. Возрастание энтропии таких систем указывает лишь на наиболее вероятное направление протекания процессов. И не исключается возможность маловероятных событий, называемых флуктуациями, когда энтропия уменьшается. Этот вывод Больцман сделал на основе прямой связи, которую он установил между энтропией и термодинамической вероятностью состояния рассматриваемой системы, т.е. числом микросостояний - распределений частиц в пространстве по скоростям и энергиям, с помощью которых может быть осуществлено данное макросостояние, определяемое соответствующими параметрами состояния. Больцман привёл зависимость между энтропией S и термодинамической вероятностью W к виду S = klnW , где k = 1,380 10-33 Дж/К - постоянная Больцмана.

Поскольку беспорядок всегда вероятнее, чем относительный порядок, то можно записать приведенное выше выражение несколько иначе: S = klnD, где D - количественная мера беспорядка в системе. Разбилась тарелка, сгорели дрова в печи и т. д. - энтропия увеличивается и становится максимальной, когда для данной системы наступает максимальный беспорядок. Следовательно, с понижением температуры упорядоченность системы растет, соответственно уменьшается энтропия. Это позволило немецкому физико-химику В. Нернсту предположить, что с приближением абсолютной температуры к нулю энтропия тоже стремится к нулю. Это выражение известно как «тепловая теорема Нернста», или третий закон термодинамики. Основываясь на этом законе, за нулевую точку отсчета энтропии любой системы можно принимать ее максимальную упорядоченность.

Возрастание энтропии соответствует увеличению беспорядка в системе. Тогда второй закон термодинамики формулируется так: «Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением теплом и энергией, постоянно возрастает». Это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в котором всякое производство работы становится невозможным. Энтропия в классической термодинамике выступает в качестве направления (стрелы) времени. В термодинамических процессах нельзя вернуться к первоначальному состоянию. Термодинамика ввела в физику понятие времени в очень своеобразной форме - форме необрати-мого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной интервал существования имеет данная система, тем дальше продвинулась она в своей эволюции. Такое понятие о времени и об эволюции системы коренным образом отличается от понятия эволюции Дарвина. В теории Дарвина эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации. В термодинамике же эволюция направлена на дезорганизацию систем. Это противоречие разрешилось только в 60-х гг. ХХ в. с появлением новой, неравновесной термодинамики. Неравновесная термодинамика опирается на концепцию необратимых процессов.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить космологические проблемы для процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную сделал Р. Клаузиус (1 822-1 888 гг.), выдвинувший два постулата:

-   энергия Вселенной всегда постоянна;

-   энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены на достижение термодинамического равновесия, при котором энтропия максимальна. Это состояние характеризуется максимальной степенью дезорганизации и беспорядка. В этом случае никакая полезная работа во Вселенной невозможна, наступит «тепловая смерть». Эти положения, конечно, встретили критику со стороны многих ученых и философов. Некоторые из них полагали, что во Вселенной кроме процессов, идущих с возрастанием энтропии, происходят процессы с уменьшением энтропии, которые препятствуют наступлению «тепловой смерти». Другие высказывали сомнения в правомерности распространения законов термодинамики с отдельных систем на Вселенную. Третьи догадывались, что понятие изолированной системы не отражает реального характера систем, встречающихся в природе, что изолированные системы составляют только небольшую часть систем, существующих в природе.