Реферати українською

Другий закон термодинаміки та його значення - Фізика -

Другий закон термодинаміки та його значення - Фізика - Скачать бесплатно

чином, цикл Карно складається з двох ізотермічних і двох адіабатичних оборотних процесів.

Неважко показати, що результуюча робота, виконана в одному циклі двигуном Карно (чи взагалі будь-яким двигуном, що використовує оборотний цикл), чисельно дорівнює площі, обмеженої криволінійними відрізками, що утворюють цикл на PV-діаграмі крива abсd.

Розділ 5

Нездійсненна мрія (“Вічний двигун”)

Бертольд. Perpetuum mobile, то есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому ... видишь ли, добрый мой Мартин, делать золото — задача заманчивая, открытие, может быть, любопытное, но найти perpetuum mobile ... О!...

А. С. Пушкин. “Сцены из рыцарских времён”

Сучасне життя людини неможливе без використання найрізноманітніших машин, що полегшують його життя. За допомогою машин людина обробляє землю, добуває нафту, руду, інші корисні копалини, пересувається і т.д. Основною властивістю машин є їхня здатність виконувати роботу.

В усіх механізмах і машинах перш ніж зробити роботу енергія переходить з одного виду в іншій. Не можна одержати енергії одного виду більше чим іншого при будь-яких перетвореннях енергії, тому що це суперечить закону збереження енергії. У зв'язку з цим не можна створити вічний двигун, тобто такий двигун в якому у результаті перетворення енергії одного виду її виходить більше, ніж було.

Закон збереження і перетворення енергії є основним у сучасному природознавстві. Енергія, що є мірою руху матерії,має наступні різновиди : механічна, електрична, теплова, магнітна, атомна та ін. Кожна з них може перетворюватися одна в одну, причому в зовсім визначених співвідношеннях, і при цьому кількість енергії залишається незмінною. Загальна кількість енергії замкнутої матеріальної системи є величина постійна, змінюються тільки різні види цієї енергії, випробуючи взаємні перетворення.

Закон збереження енергії був сформульований ще в 1748 році М. В. Ломоносовим, що писав : “...так, коли де убуде трохи матерії, то збільшиться в іншім місці; ...Цей загальний природний закон простирається й у самі правила руху, тому що тіло, що рухає своею силою інше, стільки ж втрачає енергії, скільки передає іншому”.

Багато винахідників намагалися побудувати машину — вічний двигун, здатну робити корисну роботу без яких-небудь змін усередині машини. Усі ці спроби закінчувалися невдачею.

Вічний двигун (лат. perpetuum mobile) — уявний, але нездійсненний двигун, що після пуску його в хід робить роботу необмежено довгий час. Кожна машина, що діє без припливу енергії ззовні, після закінчення деякого проміжку часу цілком витратить свій запас енергії на подолання сил опору і повинна зупинитися, тому що продовження роботи означало б одержання енергії з нічого.

От як писав про значення для людства вічного двигуна чудовий французький інженер Саді Карно : “ Загальне і філософське поняття “perpetuum mobile” містить у собі не тільки уявлення про рух, що після першого поштовху продовжується вічно, але дія приладу, здатного розвивати в необмеженій кількості рушійну силу, здатної виводити послідовно зі спокою всі тіла природи, якби вони в ньому знаходилися, порушувати в них принцип інерції, здатного, нарешті, черпати із самого себе необхідні сили, щоб надати руху усьому Всесвіту, підтримувати і безперервно прискорювати його рух. Таке було б дійсне створення рушійної сили. Якби це було можливо, то стало б марним шукати рушійну силу в потоках води і повітря, у пальному матеріалі, ми мали б нескінченне джерело, з якого могли б нескінченно черпати.”

Вічні двигуни звичайно конструюють на основі використання наступних чи прийомів їхніх комбінацій :

1) підйом води за допомогою архімедового гвинта;

2) підйом води за допомогою капілярів;

3) використання колеса з вантажами, що не можуть зрівноважитись;

4) природні магніти;

5) електромагнетизм;

6) пара або стиснене повітря.

Ідея вічного руху була дуже популярна в середньовіччя. Володіння секретом такого двигуна здавалося більш привабливим, чим навіть мистецтво робити золото з недорогоцінних металів. Безліч людей займалося цією нерозв'язною проблемою. Серед них були навіть люди з непоганим на той час походженням. Відомо, що безліч праць Ньютона містять конструкції вічного двигуна. У записах Леонардо да Вінчі теж були знайдені кілька нарисів perpetuum mobile.

Найбільше часто зустрічається модель вічного двигуна, що дотепер відроджується в різних варіаціях завдяки горе-винахідникам, заснована на застосуванні колеса з незрівноваженими вантажами.

До країв колеса прикріплені відкидні палички з вантажами на кінцях. При всякім положенні колеса вантажі на правій стороні будуть відкинуті далі від центру, ніж на лівій; ця половина повинна перетягати ліву і тим самим змушувати колесо обертатися. Виходить, колесо буде обертатися вічно, принаймні доти, поки не перетреться вісь. Так думав невідомий винахідник. Але цього не буде відбуватися, і от чому : хоча вантажі на правій стороні завжди далі від центру, але неминуче таке положення, коли число цих вантажів менше, ніж на лівій. Тоді система врівноважується, отже, колесо не буде обертатися, а, зробивши кілька хитань, зупиниться.

Деякі винахідники вічних двигунів були просто шахраями, що спритно “надували” легковірну публіку. Одним з найбільш видатних “винахідників” був деякий доктор Орфіреус (дійсне прізвище — Бесслер). Перепробувавши безліч занять, він прийшов до відкриття вічного двигуна. Основним елементом його двигуна було велике колесо, що ніби-то не тільки оберталося саме собою, але і піднімало при цьому важкий вантаж на значну висоту. Цей доктор мав безліч високопоставлених заступників, таких як польський король Август II, ландграф Гессен-Кассельский. Останній надав винахіднику свій замок і усіляко випробував машину. Цим двигуном зацікавився і Петро I, що подумував про його придбання. Однак Орфіреус погоджувався продати машину не менш ніж за 100000 рублів, з чого слідує, що він одержував великий прибуток від неї. Він був, мабуть, найщасливішим авантюристом, тому що безбідно прожив до старості, одержуючи чималі гроші від показу машини. Однак його “вічний двигун” виявився далеко не вічним — його пускали в хід брат і служниця, смикаючи за мистецько захований мотузок.

Іншим прикладом вічного двигуна може служити наступна машина.Олія чи вода, налита в судину, піднімається ґнотами спочатку у верхню судину, а відтіля іншими ґнотами — ще вище; верхня судина має жолоб для стоку олії, що падає на лопатки гвинта, приводячи його в обертання. Олія, що стекла вниз, знову піднімається по ґнотах до верхньої судини. Таким чином, струмінь олії, що стікає по жолобку на колесо, ні на секунду не переривається, і колесо постійно повинно знаходитися в русі... Але тут криється помилка : чому винахідник думає, що олія повинна стікати вниз з верхньої, загнутої частини ґнота ? Капілярне притягання, переборовши силу ваги, підняло рідину нагору по ґноті; але та ж причина утримує рідину в порах намоклого ґнота, не даючи їй капати з його. Якщо допустити, що у верхню судину уявної вертушки від дії капілярних

сил може просочитися рідина, то треба буде визнати, що ті ж ґноти можуть перенести її назад у нижній за допомогою тих же сил.

Цей проект нагадує інший, винайдений ще в 1575 році італійським механіком Страдою Старшим, і потім повторювався в численних варіаціях. Архимедів гвинт, обертаючи, піднімає воду у верхній бак, відкіля вона випливає з лотка струменем, що вдаряє в лопатки водяного колеса. Водяне колесо обертає точильний камінь і одночасно рухає ... той самий Архимедів гвинт, що піднімає воду у верхній бак. Гвинт повертає колесо, а колесо — гвинт !.. Але тут автор забуває про всім відому силу тертя, що за певний проміжок вичерпне енергію гвинта.

В історії винаходів вічного двигуна магніт

зіграв не останню роль.От приклад такого

двигуна, описаного в XVII столітті єпископом

Джоном Вілкенсоном.Сильний магніт міститься

на колонці. До неї притулені два похилих жолоби,

один під іншим, причому верхній має невеликий

отвір у верхній частині, а нижній - зігнутий.

Якщо на верхній жолоб покласти невелику залізну кульку, то внаслідок притягання магнітом він покотиться вгору, однак, дійшовши до отвору, він провалиться в нижній жолоб , скотиться по ньому, підніметься по кінцевому заокругленню і знову потрапить на верхній жолоб. Таким чином, кулька буде бігати безупинно, здійснюючи тим самим вічний рух.

Тут відразу видно всю абсурдність цього винаходу. Чому кулька буде скочуватися вниз? Вона скочувалася б, якби була тільки під дією сили ваги. Але на неї діє магніт, що гальмує його спуск, і отже, кулька не буде мати досить енергії для того, щоб піднятися по заокругленню і почати цикл спочатку.

Велику популярність одержала у винахідників вічного двигуна ідея з'єднання динамо-машини з електромотором. Усі подібні проекти зводяться до наступного — треба шківи динамо-машини й електромотора з'єднати ременем, а провід від динамо-машини підвести до електромотора. Після первісного імпульсу машини почнуть виробляти енергію, і це буде продовжуватися до нескінченності. Тут усе зводиться до того, що якби не було тертя, вони б дійсно оберталися вічно. Але дивно, що винахідникам не приходить у голову інший проект — з'єднати два шківи ременем і дати поштовх. Перший шків, обертаючись, приведе в рух другий, а другий, у свою чергу, передасть енергію на рух першому.

Усі вищенаведені двигуни були двигунами першого роду, тобто такими двигунами, що порушують перший початок термодинаміки. Відповідно до першого закону термодинаміки ми маємо

Будь-яка машина може робити роботу над зовнішніми тілами тільки за рахунок одержання ззовні кількості теплоти Q (тобто енергії) чи зменшення своєї внутрішньої енергії DU.

Порівняно мало було спроб щодо створення вічних двигунів другого роду. Для роботи звичайного теплового двигуна необхідно мати нагрівач і холодильник. Дуже привабливим здається завдання створення теплової машини, що могла б робити механічну роботу з використанням нагрівача.

Вічний двигун другого роду не протирічить закону збереження енергії і тому цікавить багатьох вчених. Подібні машини змогли б перетворювати теплову енергію в механічну. При цьому передача механічної енергії назовні супроводжувалася б поступовим охолодженням джерела теплової енергії.Якби вдалося сконструювати такий двигун, то його можна було б використати для отримання механічної енергії з теплової енергії океану.

На основі підрахунків встановлено, що при охолодженні світового океану тільки на один градус можна одержати енергію 1026 Дж, якої вистачило б для забезпечення всіх потреб людства при сучасному рівні її споживання на 14000 років.

Дійсно, від океану мохна отримати деяку кількість теплоти, врахувавши, що температура поблизу поверхні вища, ніж на глибині. Оскільки різниця температур становить Т1-Т2 ~ 10 К або навіть менша, то максимально можливий ККД в даному випадку h=(Т1-Т2)/(Т1) тобто порядку 1/30.

Можливість створення такої машини, названої вічним двигуном другого роду, не суперечить першому закону термодинаміки. Однак усі відомі на сьогодні результаты дослідів свідчать про те, що створення вічного двигуна другого роду, є настільки ж нерозв'язним завданням, як і виготовлення вічного двигуна першого роду. Цей досвідчений факт прийнятий у термодинаміку в якості другого основного постулату - другого закону термодинаміки.

Теплопередача мимоволі відбувається тільки в одному напрямку - від гарячого тіла до холодного. Виходить, щоб енергія теплового руху молекул води світового океану перетворилася в механічну енергію, необхідно мати робоче тіло, температура якого нижче температури води в океані.

З цього випливає, що нездійсненно термодинамічний процес, у результаті якого відбувалася би передача тепла від одного тіла до іншого, більш гарячому, без яких-небудь інших змін у природі. Інакше кажучи, неможливо побудувати періодично діючу машину, що безупинно перетворювала б теплоту в роботу тільки за рахунок охолодження одного тіла, без того щоб у навколишніх тілах не відбулося одночасно яких-небудь змін.

Фізичний зміст другого закону термодинаміки полягає в тім, що енергія теплового руху молекул речовини в одному відношенні якісно відрізняється від всіх інших видів енергії - механічної, електричної, хімічної, ядерної і т.д. Ця відмінність полягає в тім, що енергія будь-якого виду, крім енергії теплового руху молекул, може цілком перетворитися в будь-який вид енергії, у тому числі в енергію теплового руху. Енергія ж теплового руху молекул може перетворюватися в будь-який інший вид енергії лише частково. У результаті цього будь-який фізичний процес у якому відбувається перетворення якого-небудь виду енергії в енергію теплового руху молекул, є необоротним процесом, тобто він не може бути здійснений цілком у зворотному напрямку.

Вічний двигун - романтична мрія подвижників, що хотіли дати людству безмежну владу над природою, жадане джерело збагачення для шарлатанів і авантюристів; сотні, тисячі проектів, так ніколи не здійснених; хитромудрі механізми, що, здавалося, от-от повинні були запрацювати, але чомусь залишалися в нерухомості; розбиті долі фанатиків, обмануті надії меценатів... Але через що все це відбувалося ? Через незнання елементарних фізичних законів, через бажання з нічого одержати все. Дотепер у патентні бюро надходять заявки з пристроями, що власне кажучи є вічними двигунами. Очувидно, у самій ідеї вічного двигуна криється якась таємниця, щось, що змушує людей шукати і шукати його секрет. Але, видно так влаштована людина...

Висновки

Для того, щоб пояснити відсутність оборотності процесів, учені в другій половині минулого століття прийшли до формулювання нового закону, відомого за назвою другий початок термодинаміки. Теплота в природних умовах переходить від гарячого тіла до холодного, у той час як від холодного тіла до гарячого теплота сама по собі не переходить. Другий початок термодинаміки - закон зростання ентропії: у замкнутої (тобто ізольованої в тепловому і механічному відношенні) системі ентропія або залишається незмінною (якщо в системі протікають зворотні, рівноважні процеси), або зростає (при нерівних процесах) і в стані рівноваги досягає максимуму. Суть у тому, що в замкнутій системі ентропія може тільки зростати або залишатися сталою. Інакше кажучи, у всякій ізольованій системі теплові процеси однонаправлені, що і приводить до збільшення ентропії. Варто ентропії досягти максимуму, як теплові процеси в такій системі припиняються, що означає прийняття всіма тілами системи однакової температури і перетворення усіх форм енергії в теплову. Виникнення стану термодинамічної рівноваги приводить до припинення всіх макропроцесів, що й означає стан "теплової смерті".Неможливий періодичний процес, єдиним результатом якого було б перетворення теплоти Q при незмінній температурі цілком у роботу W (так що W= Q).Неможливо здійснити періодичний процес, єдиним результатом якого був би добір теплоти в однієї системи при даній температурі і передача в точності тієї ж кількості теплоти іншій системі при більш високій температурі.

Фізичний зміст другого закону термодинаміки полягає в тому, що енергія теплового руху молекул речовини в одному відношенні якісно відрізняється від всіх інших видів енергії - механічної, електричної, хімічної, ядерної і т.д. Ця відмінність полягає в тому, що енергія будь-якого виду, крім енергії теплового руху молекул, може цілком перетворитися в будь-який вид енергії, у тому числі в енергію теплового руху. Енергія ж теплового руху молекул може зазнавати перетворення в будь-який інший вид енергії лише частково. У результаті цього будь-який фізичний процес, у якому відбувається перетворення якого-небудь виду енергії в енергію теплового руху молекул, є необоротним процесом, тобто він не може бути здійснений цілком у зворотному напрямку.

Вираз “машина,що діє періодично”, слід розуміти так, що її робоче тіло здійснює цикли , отже воно в результаті циклу не зазнає ніяких змін і не втрачає своєї енергії. Якби можна було побудувати таку теплову машину, то вона працювала б внаслідок охолодження атмосфери, земної кори, води морів і океанів, тобто за рахунок практично невичерпних джерел енергії.

Список використаних джерел

Ихак-Рубінер Ф. Вічний двигун. М., 1922.

Кабардін О. Ф. Фізика : Довідкові матеріали. М., 1991.

Орд-Хьюм А. Вічний рух. М., 1980.

Перельман Я. И. Цікава фізика. М., 1991.

Д.Джанколі Фізика М.,”МИР”,1989

Блудов М.І. Бесіди з Фізики Київ “Радянська школа” , 1989

Дж. Орір Фізика Москва “МИР”, 1981