Reversible Es un proceso que cumple las siguientes condiciones:

1. se puede realizar en dos direcciones opuestas;
2. en cada uno de estos casos, el sistema y los cuerpos que lo rodean pasan por los mismos estados intermedios;
3. Una vez realizados los procesos directo e inverso, el sistema y los cuerpos circundantes vuelven a su estado original.

Cualquier proceso que no cumpla al menos una de estas condiciones es irreversible.

Así, se puede demostrar que una bola absolutamente elástica, al caer en el vacío sobre una placa absolutamente elástica, volverá tras reflexionar al punto de partida, atravesando en sentido contrario todos aquellos estados intermedios por los que pasó durante su caída.

Pero en la naturaleza no existen sistemas estrictamente conservadores; en ningún sistema real actúan fuerzas de fricción. Por tanto, todos los procesos reales de la naturaleza son irreversibles.

Real procesos térmicos También irreversible.

1. Durante la difusión, la igualación de concentraciones se produce de forma espontánea. El proceso inverso nunca ocurrirá por sí solo: una mezcla de gases, por ejemplo, nunca se separará espontáneamente en sus componentes. Por tanto, la difusión es un proceso irreversible.
2. La transferencia de calor, como demuestra la experiencia, también es un proceso unidireccional. Como resultado del intercambio de calor, la energía se transfiere por sí sola siempre de un cuerpo con mayor temperatura a otro con menor temperatura. El proceso inverso de transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente nunca ocurre por sí solo.
3. El proceso de convertir energía mecánica en energía interna durante un impacto o fricción inelásticos también es irreversible.

Mientras tanto, la direccionalidad y, por tanto, la irreversibilidad de los procesos térmicos no se deriva de la primera ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica sólo requiere que la cantidad de calor que desprende un cuerpo sea exactamente igual a la cantidad de calor que recibe el otro. Pero la cuestión de a qué cuerpo, del caliente al frío o viceversa, transferirá la energía sigue abierta.

La dirección de los procesos térmicos reales está determinada por la segunda ley de la termodinámica, que se estableció mediante la generalización directa de hechos experimentales. Este es un postulado. El científico alemán R. Clausius dio esta formulación. segunda ley de la termodinámica: Es imposible transferir calor de un sistema más frío a otro más caliente en ausencia de otros cambios simultáneos en ambos sistemas o cuerpos circundantes.

De la segunda ley de la termodinámica se deduce que es imposible crear una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo, es decir, un motor que funcionaría enfriando cualquier cuerpo.

Reversible Es un proceso que cumple las siguientes condiciones:

1. se puede realizar en dos direcciones opuestas;
2. en cada uno de estos casos, el sistema y los cuerpos que lo rodean pasan por los mismos estados intermedios;
3. Una vez realizados los procesos directo e inverso, el sistema y los cuerpos circundantes vuelven a su estado original.

Cualquier proceso que no cumpla al menos una de estas condiciones es irreversible.

Así, se puede demostrar que una bola absolutamente elástica, al caer en el vacío sobre una placa absolutamente elástica, volverá tras reflexionar al punto de partida, atravesando en sentido contrario todos aquellos estados intermedios por los que pasó durante su caída.

Pero en la naturaleza no existen sistemas estrictamente conservadores; en ningún sistema real actúan fuerzas de fricción. Por tanto, todos los procesos reales de la naturaleza son irreversibles.

Real procesos térmicos También irreversible.

1. Durante la difusión, la igualación de concentraciones se produce de forma espontánea. El proceso inverso nunca ocurrirá por sí solo: una mezcla de gases, por ejemplo, nunca se separará espontáneamente en sus componentes. Por tanto, la difusión es un proceso irreversible.
2. La transferencia de calor, como demuestra la experiencia, también es un proceso unidireccional. Como resultado del intercambio de calor, la energía se transfiere por sí sola siempre de un cuerpo con mayor temperatura a otro con menor temperatura. El proceso inverso de transferencia de calor de un cuerpo frío a uno caliente nunca ocurre por sí solo.
3. El proceso de convertir energía mecánica en energía interna durante un impacto o fricción inelásticos también es irreversible.

Mientras tanto, la direccionalidad y, por tanto, la irreversibilidad de los procesos térmicos no se deriva de la primera ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica sólo requiere que la cantidad de calor que desprende un cuerpo sea exactamente igual a la cantidad de calor que recibe el otro. Pero la cuestión de a qué cuerpo, del caliente al frío o viceversa, transferirá la energía sigue abierta.

La dirección de los procesos térmicos reales está determinada por la segunda ley de la termodinámica, que se estableció mediante la generalización directa de hechos experimentales. Este es un postulado. El científico alemán R. Clausius dio esta formulación. segunda ley de la termodinámica: Es imposible transferir calor de un sistema más frío a otro más caliente en ausencia de otros cambios simultáneos en ambos sistemas o cuerpos circundantes.

De la segunda ley de la termodinámica se deduce que es imposible crear una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo, es decir, un motor que funcionaría enfriando cualquier cuerpo.

Carga eléctrica elemental. Dos tipos de cargas eléctricas. Ley de conservación de la carga eléctrica. Ley de Coulomb. Campo eléctrico. Intensidad del campo eléctrico. Líneas eléctricas. Superposición de campos eléctricos.

La carga eléctrica es una cantidad física que caracteriza la propiedad de partículas o cuerpos de entrar en interacciones de fuerza electromagnética.

La carga eléctrica suele estar representada por las letras q o q.

La totalidad de todos los hechos experimentales conocidos nos permite sacar las siguientes conclusiones:

·Existen dos tipos de cargas eléctricas, convencionalmente llamadas positivas y negativas.

· Las cargas pueden transferirse (por ejemplo, por contacto directo) de un organismo a otro. A diferencia de la masa corporal, la carga eléctrica no es una característica integral de un cuerpo determinado. Un mismo cuerpo en diferentes condiciones puede tener una carga diferente.

· Cargas iguales se repelen, cargas diferentes se atraen. Esto también revela la diferencia fundamental entre las fuerzas electromagnéticas y las gravitacionales. Las fuerzas gravitacionales son siempre fuerzas de atracción.

Una de las leyes fundamentales de la naturaleza es la establecida experimentalmente. ley de conservación de la carga eléctrica .

En un sistema aislado, la suma algebraica de las cargas de todos los cuerpos permanece constante:

En los experimentos de Coulomb se midió la interacción entre bolas cuyas dimensiones eran mucho menores que la distancia entre ellas. Estos cuerpos cargados suelen denominarse cargos puntuales.

Una carga puntual es un cuerpo cargado cuyas dimensiones pueden despreciarse en las condiciones de este problema.

Basándose en numerosos experimentos, Coulomb estableció la siguiente ley:

Las fuerzas de interacción entre cargas estacionarias son directamente proporcionales al producto de los módulos de carga e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre ellas:

Las fuerzas de interacción obedecen a la tercera ley de Newton: son fuerzas de repulsión con los mismos signos de carga y fuerzas de atracción con signos diferentes (Fig. 1.1.3). La interacción de cargas eléctricas estacionarias se llama electrostático o Culombio interacción. La rama de la electrodinámica que estudia la interacción de Coulomb se llama electrostática .

La ley de Coulomb es válida para cuerpos con carga puntual. En la práctica, la ley de Coulomb se cumple si los tamaños de los cuerpos cargados son mucho menores que la distancia entre ellos.

Coeficiente k En el sistema SI generalmente se escribe como:

La experiencia demuestra que las fuerzas de interacción de Coulomb obedecen al principio de superposición.

Si un cuerpo cargado interactúa simultáneamente con varios cuerpos cargados, entonces la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo dado es igual a la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre este cuerpo desde todos los demás cuerpos cargados.

CAMPO ELÉCTRICO- existe alrededor de una carga eléctrica, materialmente.
La propiedad principal de un campo eléctrico: la acción de una fuerza sobre una carga eléctrica introducida en él.
Campo electrostático- el campo de una carga eléctrica estacionaria no cambia con el tiempo.
Intensidad del campo eléctrico.-potencia característica de la electricidad campos.
es la relación entre la fuerza con la que actúa el campo sobre la carga puntual introducida y la magnitud de esta carga.
- ¡No depende de la magnitud de la carga introducida, sino que caracteriza el campo eléctrico!

Dirección del vector de tensión
coincide con la dirección del vector de fuerza que actúa sobre una carga positiva y opuesta a la dirección de la fuerza que actúa sobre una carga negativa.

En cualquier punto del campo, la intensidad siempre se dirige a lo largo de la línea recta que conecta este punto y q0.

Irreversibilidad de los procesos térmicos. Segunda ley de la termodinámica. El concepto de entropía.

La primera ley de la termodinámica, la ley de conservación de la energía en los procesos térmicos, establece la relación entre la cantidad de calor q, recibido por el sistema, cambio ΔU Su energía interna y su trabajo. A, perfecto sobre cuerpos externos: Q = ΔU + A.

Según esta ley, la energía no se puede crear ni destruir; se transmite de un sistema a otro y se transforma de una forma a otra. Nunca se han observado procesos que violen la primera ley de la termodinámica. En la Fig. 3.12.1 muestra dispositivos prohibidos por la primera ley de la termodinámica.

Motores térmicos que funcionan cíclicamente, prohibidos por la primera ley de la termodinámica: 1 – máquina de movimiento perpetuo del primer tipo, que realiza un trabajo sin consumir energía externa; 2 – motor térmico con eficiencia η > 1

La primera ley de la termodinámica no establece la dirección de los procesos térmicos. Sin embargo, como demuestra la experiencia, muchos procesos térmicos sólo pueden ocurrir en una dirección. Estos procesos se denominan irreversibles. Por ejemplo, durante el contacto térmico de dos cuerpos con diferentes temperaturas, el flujo de calor siempre se dirige del cuerpo más caliente al más frío. Nunca existe un proceso espontáneo de transferencia de calor de un cuerpo con temperatura baja a otro con temperatura más alta. En consecuencia, el proceso de transferencia de calor a una diferencia de temperatura finita es irreversible.

Los procesos reversibles son procesos de transición de un sistema de un estado de equilibrio a otro, que pueden realizarse en dirección opuesta a través de la misma secuencia de estados de equilibrio intermedios. En este caso, el propio sistema y los cuerpos circundantes vuelven a su estado original.

Los procesos durante los cuales un sistema permanece en estado de equilibrio todo el tiempo se llaman cuasiestático. Todos los procesos cuasiestáticos son reversibles. Todos los procesos reversibles son cuasiestáticos.

Si el fluido de trabajo de una máquina térmica se pone en contacto con un depósito térmico, cuya temperatura permanece sin cambios durante el proceso de intercambio de calor, entonces el único proceso reversible será un proceso isotérmico cuasiestático que se producirá con una diferencia infinitesimal de temperaturas. del fluido de trabajo y el depósito. Si existen dos reservorios térmicos con diferentes temperaturas, los procesos se pueden realizar de forma reversible en dos tramos isotérmicos. Dado que el proceso adiabático también puede realizarse en ambas direcciones (compresión adiabática y expansión adiabática), el proceso circular formado por dos isotermas y dos adiabáticas (ciclo de Carnot) es el único proceso circular reversible en el que el fluido de trabajo se pone en contacto térmico. con sólo dos tanques térmicos. Todos los demás procesos circulares realizados con dos depósitos de calor son irreversibles.

Los procesos de conversión del trabajo mecánico en energía interna de un cuerpo son irreversibles debido a la presencia de fricción, procesos de difusión en gases y líquidos, procesos de mezcla de gases en presencia de una diferencia de presión inicial, etc. Todos los procesos reales son irreversibles, pero pueden acercarse a procesos reversibles arbitrariamente cercanos. Los procesos reversibles son idealizaciones de procesos reales.

La primera ley de la termodinámica no puede distinguir los procesos reversibles de los irreversibles. Simplemente requiere un cierto equilibrio energético de un proceso termodinámico y no dice nada sobre si tal proceso es posible o no. La dirección de los procesos que ocurren espontáneamente está establecida por la segunda ley de la termodinámica. Se puede formular como prohibición sobre ciertos tipos de procesos termodinámicos.

El físico inglés W. Kelvin dio la siguiente formulación de la segunda ley en 1851:

En un motor térmico que funciona cíclicamente, es imposible un proceso cuyo único resultado sería la conversión en trabajo mecánico de toda la cantidad de calor recibida de un único depósito de calor.

Una máquina térmica hipotética en la que podría ocurrir tal proceso se llama máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo. En condiciones terrestres, una máquina de este tipo podría tomar energía térmica, por ejemplo, del océano mundial y convertirla completamente en trabajo. La masa de agua en el Océano Mundial es aproximadamente 10 21 kilogramos, y enfriarlo un grado liberaría una enorme cantidad de energía ( ≈ 10 24J), equivalente a la combustión completa 10 17 kilos carbón La energía generada anualmente en la Tierra es aproximadamente 10 4 veces menos. Por lo tanto, una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo no sería menos atractiva para la humanidad que una máquina de movimiento perpetuo del primer tipo, prohibida por la primera ley de la termodinámica.

El físico alemán R. Clausius dio otra formulación de la segunda ley de la termodinámica:

Es imposible un proceso cuyo único resultado sería la transferencia de energía mediante intercambio de calor de un cuerpo con temperatura baja a un cuerpo con temperatura más alta.

En la Fig. 3.12.2 describe procesos prohibidos por la segunda ley, pero no prohibidos por la primera ley de la termodinámica. Estos procesos corresponden a dos formulaciones de la segunda ley de la termodinámica.

Procesos que no contradicen la primera ley de la termodinámica, pero que están prohibidos por la segunda ley: 1 – máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo; 2 – transferencia espontánea de calor de un cuerpo frío a uno más cálido (máquina de refrigeración ideal)

Cabe señalar que ambas formulaciones de la segunda ley de la termodinámica equivalente. Si asumimos, por ejemplo, que el calor puede transferirse espontáneamente (es decir, sin gasto de trabajo externo) durante el intercambio de calor de un cuerpo frío a uno caliente, entonces podemos llegar a la conclusión sobre la posibilidad de crear una máquina de movimiento perpetuo. del segundo tipo. De hecho, dejemos que un motor térmico real reciba una cantidad de calor del calentador. Pregunta 1 y le da al refrigerador la cantidad de calor Pregunta 2. Al mismo tiempo se trabaja A = Q 1 – |Q 2 |. Si la cantidad de calor |P 2 | pasa espontáneamente del refrigerador al calentador, entonces el resultado final del trabajo de un motor térmico real y un motor de refrigeración ideal sería la conversión de una cantidad de calor en trabajo Pregunta 1 – |Pregunta 2 |, obtenido del calentador sin ningún cambio en el frigorífico. Así, la combinación de un motor térmico real y un motor frigorífico ideal equivale a una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo. Del mismo modo, se puede demostrar que la combinación de una máquina frigorífica real y una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo equivale a una máquina frigorífica ideal.

La segunda ley de la termodinámica está directamente relacionada con la irreversibilidad de los procesos térmicos reales. La energía del movimiento térmico de las moléculas es cualitativamente diferente de todos los demás tipos de energía: mecánica, eléctrica, química, etc. La energía de cualquier tipo, excepto la energía del movimiento térmico de las moléculas, se puede convertir completamente en cualquier otro tipo de energía. incluida la energía del movimiento térmico. Este último puede experimentar transformación en cualquier otro tipo de energía sólo parcialmente. Por tanto, cualquier proceso físico en el que se convierta cualquier tipo de energía en energía de movimiento térmico de moléculas es un proceso irreversible, es decir, no se puede realizar completamente en sentido contrario.

Una propiedad común de todos los procesos irreversibles es que ocurren en un sistema termodinámico en desequilibrio y como resultado de estos procesos. Un sistema cerrado se acerca a un estado de equilibrio termodinámico..

Con base en cualquiera de las formulaciones de la segunda ley de la termodinámica, se pueden demostrar los siguientes enunciados, que se denominan teoremas de Carnot:

La eficiencia de una máquina térmica que funciona a temperaturas determinadas del calentador y del refrigerador no puede ser mayor que la eficiencia de una máquina que funciona en un ciclo de Carnot reversible a las mismas temperaturas del calentador y del refrigerador.

La eficiencia de un motor térmico que funciona según el ciclo de Carnot no depende del tipo de fluido de trabajo, sino únicamente de las temperaturas del calentador y del refrigerador.

Por tanto, la eficiencia de una máquina que funciona según el ciclo de Carnot es máxima. η = 1 - Q 2 Q 1 ≤ η máx = η Carnot = 1 - T 2 T 1 .

El signo igual en esta relación corresponde a ciclos reversibles. Para máquinas que operan en el ciclo de Carnot, esta relación se puede reescribir como

| Pregunta 2 | Q 1 = T 2 T 1 o | Pregunta 2 | T 2 = Q 1 T 1 .

En cualquier dirección que se recorra el ciclo de Carnot (en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj), las cantidades Pregunta 1 Y Pregunta 2 siempre tienen signos diferentes. Por lo tanto, podemos escribir Q 1 T 1 + Q 2 T 2 = 0.

Esta relación se puede generalizar a cualquier proceso reversible cerrado, que se puede representar como una secuencia de pequeñas secciones isotérmicas y adiabáticas (Fig. 3.12.3).

Un ciclo reversible arbitrario como una secuencia de pequeñas secciones isotérmicas y adiabáticas.

Al omitir completamente un circuito reversible cerrado

∑ Δ Q i T i = 0 (ciclo reversible),

Dónde ΔQ i = ΔQ 1i + ΔQ 2i– la cantidad de calor recibida por el fluido de trabajo en dos secciones isotérmicas a temperatura yo. Para llevar a cabo un ciclo tan complejo de forma reversible, es necesario poner el fluido de trabajo en contacto térmico con muchos depósitos térmicos con temperaturas yo. Actitud ΔQ i / T i llamado calor reducido. La fórmula resultante muestra que El calor reducido total en cualquier ciclo reversible es cero.. Esta fórmula le permite introducir una nueva cantidad física llamada entropía y se designa con la letra S(R. Clausius, 1865). Si un sistema termodinámico pasa de un estado de equilibrio a otro, entonces su entropía cambia. La diferencia en los valores de entropía en dos estados es igual al calor reducido que recibe el sistema durante una transición reversible de un estado a otro.Δ S = S 2 - S 1 = ∑ (1) (2) Δ Q i arr T .

En el caso de un proceso adiabático reversible. ΔQi = 0 y por lo tanto la entropía S permanece sin cambios.

Expresión para el cambio de entropía ΔS durante la transición de un sistema no aislado de un estado de equilibrio (1) a otro estado de equilibrio (2) se puede escribir como Δ S = ∫ (1) (2) d Q arr T .

La entropía se determina hasta un término constante, al igual que, por ejemplo, la energía potencial de un cuerpo en un campo de fuerza. La diferencia tiene un significado físico. ΔS entropía en dos estados del sistema. Para determinar el cambio de entropía en el caso transición irreversible sistemas de un estado a otro, es necesario idear algunas reversible proceso que conecta los estados inicial y final, y encuentre el calor reducido recibido por el sistema durante dicha transición.

Entropía y transiciones de fase.

Arroz. 3.12.4 ilustra el proceso irreversible de expansión del gas "hacia el vacío" en ausencia de intercambio de calor. Sólo los estados inicial y final del gas en este proceso están en equilibrio y se pueden representar en un diagrama ( pag, v). Puntos ( a) Y ( b), correspondientes a estos estados, se encuentran en la misma isoterma. Para calcular el cambio ΔS entropía, podemos considerar una transición isotérmica reversible desde ( a) V ( b). Dado que durante la expansión isotérmica el gas recibe una cierta cantidad de calor de los cuerpos circundantes. Q > 0, podemos concluir que con la expansión irreversible del gas, la entropía aumentó: ΔS > 0.

Expansión del gas hacia el "vacío". Cambio de entropía Δ S = Q T = A T > 0, donde Una = Q– trabajo de gas bajo expansión isotérmica reversible

Otro ejemplo de proceso irreversible es la transferencia de calor con una diferencia de temperatura finita. En la Fig. 3.12.5 muestra dos cuerpos encerrados en una capa adiabática. Temperaturas corporales iniciales T 1 Y T 2< T 1 . Durante el intercambio de calor, la temperatura corporal se iguala gradualmente. Un cuerpo más caliente desprende algo de calor y un cuerpo más frío lo recibe. El calor reducido recibido por un cuerpo frío excede en valor absoluto al calor reducido emitido por un cuerpo caliente. De ello se deduce que el cambio de entropía de un sistema cerrado en un proceso de intercambio de calor irreversible ΔS > 0.

Transferencia de calor a una diferencia de temperatura finita: a- estado inicial; b– estado final del sistema. cambio de entropía ΔS > 0

Un aumento de entropía es una propiedad común de todos los procesos irreversibles que ocurren espontáneamente en sistemas termodinámicos aislados. Durante procesos reversibles en sistemas aislados, la entropía no cambia: ΔS ≥ 0.

Esta relación se denomina comúnmente ley de entropía creciente.

Para cualquier proceso que ocurra en sistemas termodinámicos aislados, la entropía permanece sin cambios o aumenta.

Por tanto, la entropía indica la dirección de los procesos que ocurren espontáneamente. Un aumento de entropía indica que el sistema se acerca a un estado de equilibrio termodinámico. En el equilibrio, la entropía adquiere su valor máximo. La ley de la entropía creciente puede tomarse como otra formulación de la segunda ley de la termodinámica.

En 1878 L. Boltzmann dio probabilístico Interpretación del concepto de entropía. Propuso considerar la entropía como medida del desorden estadístico en un sistema termodinámico cerrado. Todos los procesos que ocurren espontáneamente en un sistema cerrado, que acercan el sistema a un estado de equilibrio y van acompañados de un aumento de la entropía, tienen como objetivo aumentar la probabilidad del estado.

Cualquier estado de un sistema macroscópico que contenga una gran cantidad de partículas se puede realizar de muchas maneras. Probabilidad termodinámica W. El estado del sistema es de varias maneras, mediante el cual se puede realizar un estado dado de un sistema macroscópico, o el número microestados, implementando este macroestado. Por definición, probabilidad termodinámica W >> 1.

Por ejemplo, si el recipiente contiene 1 mol gas, entonces es posible una gran cantidad norte formas de colocar una molécula en dos mitades de un recipiente: N = 2 N A, donde N A es el número de Avogadro. Cada uno de ellos es un microestado. Sólo uno de los microestados corresponde al caso en el que todas las moléculas se recogen en la mitad (por ejemplo, la derecha) del recipiente. La probabilidad de que ocurra tal evento es prácticamente nula. El mayor número de microestados corresponde al estado de equilibrio, en el que las moléculas están distribuidas uniformemente por todo el volumen. Es por eso El estado de equilibrio es el más probable.. Por otro lado, el estado de equilibrio es el estado de mayor desorden en un sistema termodinámico y el estado de máxima entropía.

Según Boltzmann, la entropía S sistemas y probabilidad termodinámica W. están relacionados entre sí de la siguiente manera: S = k Iniciar sesión W, Dónde k = 1,38·10 –23 J/K– Constante de Boltzmann. Por tanto, la entropía está determinada por el logaritmo del número de microestados con la ayuda de los cuales se puede realizar un macroestado determinado. En consecuencia, la entropía puede considerarse como una medida de la probabilidad del estado de un sistema termodinámico.

La interpretación probabilística de la segunda ley de la termodinámica permite la desviación espontánea del sistema del estado de equilibrio termodinámico. Estas desviaciones se denominan fluctuaciones. En sistemas que contienen una gran cantidad de partículas, es extremadamente improbable que se produzcan desviaciones significativas del estado de equilibrio.




Irreversibilidad de los procesos térmicos.

La primera ley de la termodinámica es la ley de conservación de la energía durante los procesos térmicos, cuando la energía de un tipo se convierte en otro.

La primera ley de la termodinámica, si bien establece la igualdad de energía en el curso de los procesos, no proporciona indicaciones en qué dirección avanzan los procesos y por qué ocurren de esta manera y no de otra.

Cuando los cuerpos y los sistemas interactúan, los procesos que ocurren tienen una dirección determinada. Así, con las oscilaciones amortiguadas del péndulo, su energía mecánica se convierte gradualmente en energía interna del péndulo y del medio ambiente, pero no ocurre el proceso inverso.

La disolución del azúcar en agua y la transferencia de calor de un cuerpo caliente a un cuerpo frío son ejemplos de procesos unidireccionales. Ejemplos de procesos irreversibles son la difusión, la conductividad térmica y el flujo de fluidos viscosos. 11 tales procesos se llaman irreversible.

H.10. Segunda ley de la termodinámica

La irreversibilidad de los procesos y la dirección de posibles transformaciones energéticas se formulan utilizando la Segunda Ley de la Termodinámica, que es una generalización de la experiencia humana y las observaciones de los fenómenos naturales. Presentemos su formulación propuesta por el científico alemán R. Clausius.

La cantidad de calor no puede transferirse espontáneamente de un cuerpo menos calentado a otro más calentado. Aquí debes prestar atención a la palabra "espontáneamente", es decir. sucediendo por sí solo sin la participación de otros organismos, sin cambiar su estado.

Nuestra experiencia diaria confirma la validez de esta ley de la termodinámica. Entonces, en una habitación, el calor se transfiere desde un radiador calentado al aire y a los objetos de la habitación, y no al revés.

En las máquinas de refrigeración, el calor se toma del congelador y se transfiere al medio ambiente. Sin embargo, aquí no se produce una violación de la segunda ley de la termodinámica, ya que este proceso no ocurre de forma espontánea, sino que requiere el gasto de energía mecánica consumida por el motor eléctrico del frigorífico, es decir, El proceso de "quitar" calor del congelador va acompañado de un cambio en el estado de los cuerpos circundantes.

La irreversibilidad es característica no sólo del proceso de transferencia de calor, sino también de todos los procesos espontáneos.

Referencia histórica. Clausis Rudolf Julio Emanuel(1822-1888) - Físico teórico alemán, uno de los creadores de la termodinámica y la teoría cinética de los gases. Principales trabajos en el campo de la física molecular, termodinámica, teoría de las máquinas de vapor, mecánica teórica, física matemática. Desarrollando las ideas de S. Carnot, formuló el principio de equivalencia de calor y trabajo. En 1850, demostró la relación entre el calor y el trabajo mecánico (la primera ley de la termodinámica), formuló la segunda ley de la termodinámica: "el calor por sí solo no puede pasar de un cuerpo más frío a uno más cálido".

Carnot Nicola Leonard Sadi(1796-1832) - físico e ingeniero francés. En 1824 publicó el libro “Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas capaces de desarrollar esta fuerza”. En este trabajo, demostró por primera vez que se puede obtener trabajo útil sólo si se transfiere calor de un cuerpo más calentado a uno menos calentado (la segunda ley de la termodinámica). Introdujo los conceptos de procesos circulares y reversibles, así como el ciclo ideal de las máquinas térmicas.

Boleto 23. 1. Irreversibilidad de los procesos térmicos; Segunda ley de la termodinámica y su interpretación estadística.

1. Irreversibilidad de los procesos térmicos; La segunda ley de la termodinámica y su interpretación estadística.

La primera ley de la termodinámica, la ley de conservación de la energía en los procesos térmicos, establece la conexión entre cantidad de calor Q obtenido por el sistema cambiando ΔU su energía interna Y trabajar A, perfecto sobre cuerpos externos:

Q = ΔU + A.

Según esta ley, la energía no se puede crear ni destruir; se transmite de un sistema a otro y se transforma de una forma a otra. Nunca se han observado procesos que violen la primera ley de la termodinámica. La primera ley de la termodinámica no establece la dirección de los procesos térmicos. Sin embargo, como demuestra la experiencia, muchos procesos térmicos sólo pueden ocurrir en una dirección. Estos procesos se denominan irreversible. Por ejemplo, durante el contacto térmico de dos cuerpos con diferentes temperaturas, el flujo de calor siempre se dirige del cuerpo más caliente al más frío. Nunca existe un proceso espontáneo de transferencia de calor de un cuerpo con temperatura baja a otro con temperatura más alta. En consecuencia, el proceso de transferencia de calor a una diferencia de temperatura finita es irreversible. Reversible Los procesos son procesos de transición de un sistema de un estado de equilibrio a otro, que pueden llevarse a cabo en dirección opuesta a través de la misma secuencia de estados de equilibrio intermedios. En este caso, el propio sistema y los cuerpos circundantes vuelven a su estado original. Los procesos durante los cuales un sistema permanece en estado de equilibrio todo el tiempo se llaman cuasiestático. Todos los procesos cuasiestáticos son reversibles. Todos los demás procesos circulares realizados con dos depósitos de calor son irreversibles. Irreversibles son los procesos de conversión del trabajo mecánico en energía interna de un cuerpo debido a la presencia de fricción, procesos de difusión en gases y líquidos, procesos de mezcla de gases en presencia de una diferencia de presión inicial, etc. Todos los procesos reales son irreversibles, pero pueden acercarse a procesos reversibles arbitrariamente cercanos. Los procesos reversibles son idealizaciones de procesos reales. La primera ley de la termodinámica no puede distinguir los procesos reversibles de los irreversibles. Simplemente requiere un cierto equilibrio energético de un proceso termodinámico y no dice nada sobre si tal proceso es posible o no. La dirección de los procesos que ocurren espontáneamente está establecida por la segunda ley de la termodinámica. El físico alemán R. Clausius formuló la segunda ley de la termodinámica: Es imposible un proceso cuyo único resultado sea la transferencia de energía mediante intercambio de calor de un cuerpo con temperatura baja a un cuerpo con temperatura más alta. La segunda ley de la termodinámica está directamente relacionada con la irreversibilidad de los procesos térmicos reales. La energía del movimiento térmico de las moléculas es cualitativamente diferente de todos los demás tipos de energía: mecánica, eléctrica, química, etc. La energía de cualquier tipo, excepto la energía del movimiento térmico de las moléculas, se puede convertir completamente en cualquier otro tipo de energía. incluida la energía del movimiento térmico. Estos últimos sólo pueden experimentar una transformación parcial en cualquier otro tipo de energía. Por tanto, cualquier proceso físico en el que se convierta cualquier tipo de energía en energía de movimiento térmico de moléculas es un proceso irreversible, es decir, no se puede realizar completamente en sentido contrario. Una propiedad común de todos los procesos irreversibles es que ocurren en un sistema termodinámico en desequilibrio y como resultado de estos procesos. un sistema cerrado se acerca a un estado de equilibrio termodinámico. Con base en la segunda ley de la termodinámica, se pueden probar las siguientes afirmaciones, que se denominan Teoremas de Carnot:

1. La eficiencia de una máquina térmica que funciona a temperaturas determinadas del calentador y del refrigerador no puede ser mayor que la eficiencia de una máquina que funciona en un ciclo de Carnot reversible a las mismas temperaturas del calentador y del refrigerador.
2. La eficiencia de un motor térmico que funciona según el ciclo de Carnot no depende del tipo de fluido de trabajo, sino únicamente de las temperaturas del calentador y del refrigerador.

2 . Reacciones nucleares: leyes de conservación de las reacciones nucleares; reacciones nucleares en cadena; energía nuclear; reacciones termonucleares.

Reacciones nucleares

Los núcleos atómicos sufren transformaciones durante las interacciones, que van acompañadas de un aumento o disminución de la energía cinética de las partículas que participan en ellos.

Las reacciones nucleares ocurren cuando las partículas se acercan al núcleo y caen dentro del rango de las fuerzas nucleares. Las partículas probablemente cargadas se repelen entre sí. Por lo tanto, el acercamiento de partículas cargadas positivamente a los núcleos (o de los núcleos entre sí) es posible si a estas partículas (o núcleos) se les da una gran energía cinética (por ejemplo, protones, núcleos de deuterio - deuterones, partículas α y otros núcleos con la ayuda de aceleradores de iones de partículas elementales).

La primera reacción nuclear con protones rápidos se llevó a cabo en 1932. Fue posible dividir el litio en partículas alfa:

Rendimiento energético de las reacciones nucleares., donde t r, t p, s son constantes

En esta reacción, la energía de enlace específica en los núcleos de helio es mayor que la energía de enlace específica en el núcleo de litio. Por lo tanto, parte de la energía interna del núcleo de litio se convierte en energía cinética de las partículas alfa que se separan.

Un cambio en la energía de enlace de los núcleos significa que la energía total en reposo de las partículas y núcleos que participan en las reacciones no permanece sin cambios. Después de todo, la energía en reposo del núcleo M I, según la fórmula, se expresa directamente a través de la energía de enlace. De acuerdo con la ley de conservación de la energía, el cambio de energía cinética durante el proceso de desintegración es igual al cambio de energía en reposo de los núcleos y partículas que participan en la reacción.

Producción de energía de una reacción nuclear. es la diferencia entre las energías en reposo de núcleos y partículas antes y después de la reacción. Según lo dicho anteriormente, la producción de energía de una reacción nuclear también es igual al cambio en la energía cinética de las partículas que participan en la reacción.

Reacciones nucleares con neutrones.

El descubrimiento del neutrón supuso un punto de inflexión en el estudio de las reacciones nucleares. Como los neutrones no tienen carga, penetran fácilmente en los núcleos atómicos y provocan sus cambios.

Por ejemplo, se observa la siguiente reacción:

Enrico Fermi fue el primero en estudiar las reacciones provocadas por neutrones. Descubrió que las transformaciones nucleares son causadas no sólo por neutrones rápidos, sino también por neutrones.

Las reacciones que sufren los núcleos atómicos son muy diversas. Los neutrones no son repelidos por los núcleos y, por tanto, son especialmente eficaces para provocar transformaciones nucleares lentas.

Reacciones termonucleares llamar cambios en los núcleos atómicos cuando interactúan con partículas elementales o entre sí.

3. Tarea experimental: "Medir la aceleración de la caída libre mediante un péndulo matemático".