Теплообмен в замкнутой системе
Если система не только не обменивается теплотой с окружающими телами, но и не совершает работы, то она является замкнутой. Внутренняя энергия системы в этом случае не меняется. Но внутри нее могут происходить процессы, в частности теплообмен между телами системы, если температуры их различны. Именно такие процессы происходят в калориметре, если можно пренебречь теплообменом содержимого калориметра с окружающими телами.
При теплообмене между телами не совершается работы. Поэтому изменение энергии любого тела внутри калориметра равно количеству теплоты, полученной или отданной этим телом до наступления теплового равновесия внутри системы: ΔU1 = Q1. Складывая подобные выражения для всех тел системы и учитывая, что суммарная внутренняя энергия не меняется (ΔU = ΔU1 + ΔU2 + ΔU3 + … = 0), получим уравнение:
(5.7.2)
Это и есть уравнение теплового баланса, которое было получено в § 5.2. Но там оно появилось как результат обобщения опытных данных по калориметрическим экспериментам. Теперь же мы его получили в качестве одного из следствий первого закона термодинамики.
Процесс в системе можно считать адиабатным, если он протекает достаточно быстро и за это время не происходит заметного теплообмена между системой и окружающими телами. Такие процессы широко распространены в природе и используются в технике.
§ 5.8. Необратимость процессов в природе
Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.
Нагретые тела сами собой остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но на самом деле не происходит.
Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис. 5.11; 1, 2, 3, 4 — последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергия убывает, а температура маятника и окружающего воздуха слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдался. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом упорядоченное движение тела как целого превращается в неупорядоченное тепловое движение слагающих его молекул.
Рис. 5.11
Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них — старение и смерть организмов.
Уточним понятие необратимого процесса. Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Так, в примере с маятником можно вновь увеличить амплитуду колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение амплитуды возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего толчок рукой. Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию, и т. д.
Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнения движения макроскопических тел изменяются с изменением знака времени. Они, как говорят, не инвариантны при преобразовании t -t. Ускорение не меняет знака при t -t. Силы, зависящие от расстояний, также не меняют знака. Знак при замене t на -t меняется у скорости. Именно поэтому при совершении работы силами трения, зависящими от скорости, кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю.
Хорошей иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, падение хрустальной вазы со стола будет выглядеть следующим образом. Лежащие на полу осколки вазы устремляются друг к другу и, соединяясь, образуют целую вазу. Затем ваза возносится вверх и вот уже спокойно стоит на столе. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. Нелепость происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не допускаем возможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как восстановление вазы из осколков, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики, который мы сформулируем в следующем параграфе.
Процессы в природе необратимы. Наиболее типичными необратимыми процессами являются:
1) переход теплоты, от горячего тела к холодному;
2) переход механической энергии во внутреннюю.