проектная деятельность
проект по теме

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ «МОСКОВСКОЕ СРЕДНЕЕ СПЕЦИАЛЬНОЕ УЧИЛИЩЕ ОЛИМПИЙСКОГО РЕЗЕРВА №1 (ТЕХНИКУМ)» ДЕПАРТАМЕНТ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА ГОРОДА МОСКВЫ

        РЕФЕРАТ

НА ТЕМУ : « НЕОБРАТИМОСТЬ ПРОЦЕССОВ В ПРИРОДЕ. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИСТОЛКОВАНИЕ НЕОБРАТИМОСТИ ПРОЦЕССОВ В ПРИРОДЕ »

                                                                                     Выполнила студентка 1 курса

                                                                                     Трофимец Снежана

                                                                                     Преподаватель : Подкорытова Е.А.

                                                       Москва

                                                      2016 год

Содержание :

1. Введение

2. Второй закон термодинамики

3. Примеры необратимых процессов

4. Реальность необратимых процессов

5. Статистическое истолкование необратимости процессов в природе

6. Обратимость микропроцессов и необратимость макропроцессов

7. Житейский пример необратимости

8. Микроскопическое и макроскопическое  состояния

9. Вероятность состояния

10. Переход системы к наиболее вероятному состоянию

11. Расширение газа из четырех молекул

12. Необратимость расширения газа с большим числом молекул

13. Стрела времени

14. Границы применимости второго закона термодинамики

Введение

(1 слайд)

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.

(слайд 2)

Закон сохранения энергии не запрещает процессы, которые на опыте не происходят :
-  нагревание более нагретого тела более холодным;
- самопроизвольное раскачивание маятника из состояния покоя;
- собирание песка в камень
Процессы в природе имеют определенную направленность. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. 
Второй закон термодинамики, являясь важнейшим законом природы, определяет направление, по которому протекают термодинамические процессы, устанавливает возможные пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений, т.е. направление процессов, и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Этот закон был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов. Второй закон термодинамики заключается в том, что все процессы превращения энергии протекают с рассеиванием части энергии в виде тепла. Есть несколько формулировок второго закона, которые, в сущности, выражают одно и тоже :

(слайд 3)

1. формулировка  Р.Клаузиуса :

невозможно перевести тепло  от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

2. формулировка У.Кельвина :

невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

(слайд 4)

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус  (1822-1888) – немецкий физик, механик и математик. Клаузиусу принадлежат  основополагающие  работы  в области молекулярно - кинетической теории теплоты. Работы Клаузиуса  способствовали введению статистических методов в физику. Клаузиус внёс важный вклад в теорию электролиза Теоретически обосновал закон Джоуля –Ленца, разработал теорию поляризации диэлектриков, на основе которой установил соотношение между диэлектрической  проницаемостью и поляризуемостью.

(слайд 5)

Уильям  Кельвин (1824-1907) – британский физик и механик. Является автором многих теоретических работ по физике, он изучал явления электрического тока, динамической геологии. Вместе с Джеймсом Джоулем Кельвин проводил опыты над охлаждением газов и сформулировал теорию действительных газов. Его имя получила абсолютная термодинамическая температурная шкала.

Примеры необратимых процессов

(слайд 6)

Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают. За счет работы сил трения механическая энергия маятника убывает, а температура маятника и окружающего воздуха (а значит, и их внутренняя энергия) 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 наблюдается. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом энергия упорядоченного движения тела как целого превращается в энергию неупорядоченного теплового движения слагающих его молекул.

(слайд 7)

Необратимый процесс – называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать лишь в одном определенном направлении; в обратном направлении они могут протекать только при внешнем воздействии.

Мы можем увеличить размах колебания маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличении возникает не само собой.

Проблема необратимости процессов в природе. По существу все процессы в макросистемах являются необратимыми. Возникает принципиальный вопрос: в чем причина необратимости? Это выглядит особенно странно, если учесть, что все законы механики обратимы во времени.  

(слайд 8)

И тем не менее, никто не видел, чтобы, например, разбившаяся ваза самопроизвольно восстановилась из осколков. Этот процесс можно наблюдать, если предварительно засняв на пленку, просмотреть её в обратном направлении , но никак не в действительности. Процесс восстановления вазы из осколков не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики.

Реальность необратимых процессов

Многие часто наблюдаемые процессы являются необратимыми:

(слайд 10)

1. Нагретые тела постепенно остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, если количество теплоты, отданное холодным телом, равно количеству теплоты, полученному горячим, но такой процесс самопроизвольно никогда не происходит.

(слайд 11)

2. Если вы бросите камень в воду - Вы всегда увидите расходящиеся от места его попадания в воду концентрические окружности-волны и никогда – сходящиеся к этому месту обратно.

(слайд 12)

3. В биологии  – жизнь всегда начинается с рождения, продолжается юностью, зрелостью и старостью и заканчивается смертью, и никогда не происходит не только обратного развития живых организмов, но и даже остановки этого процесса.

Направление процессов в природе указывается вторым законом термодинамики. Важность этого закона в том, что из него можно вывести заключение о необратимости процессов в природе.  Если бы происходило обратное развитие живых организмов и тепло в каких-либо  случаях могло передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимым и другие процессы. Все процессы самопроизвольно протекают в одном определенном  направлении, они необратимы.

Статистическое истолкование необратимости процессов в природе

Второй закон термодинамики констатирует факт необратимости процессов в природе, но не дает ему никакого объяснения. Это объяснение может быть получено на основе молекулярно-кинетической теории.

Обратимость микропроцессов и необратимость макропроцессов

(слайд 13)

Из основных положений молекулярно-кинетической теории вытекает, что все микропроцессы обратимы во времени. На фоне этой безупречной теории необратимость макропроцессов выглядит обычно парадоксально. Действительно, мы на каждом шагу сталкиваемся с необратимостью: рассеивается теплота и запах, гибнут растения, разрушаются горы. Если взять простейшую модель газа - совокупность упругих шариков, то газ в целом будет обнаруживать определенную направленность поведения. Например, сжатый газ, занимавший половину сосуда, начнет расширяться и займет весь объем сосуда. Вновь он не сожмется. Уравнения же движения каждой молекулы обратимы во времени, так как содержат силы, зависящие лишь от расстояний и проявляющиеся при столкновении молекул.

Заслуга в нахождении принципиально правильного подхода к решению проблемы : согласованию факта обратимости микропроцессов с фактом необратимости макропроцессов – принадлежит  Больцману.

(слайд 14)

Лю́двиг Бо́льцман (1844- 1906) - австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук (1895), член-корреспондент Петербургской академии наук (1899) и ряда других.

Житейский пример необратимости

(слайд 15)

Допустим, с понедельника вы решили начать новую жизнь. Условием этого для вас является порядок на письменном столе. Вы расставили предметы строго по своим местам.

Через какое – то время вы забываете ставить все на свои места, и воцаряется состояние «хаос» . Состоянию «порядок» отвечает только одно расположение предметов, а состоянию «хаос» - несравнимо большее.  Как только предметы начинают занимать произвольные положения, не контролируемые вашей волей, на столе само собой возникает более вероятное состояние  хаоса, реализуемое гораздо большим числом вариантов распределения предметов на столе.

Микроскопическое и макроскопическое состояние системы

(слайд 16)

Макроскопическое состояние определяется ее значениями термодинамических параметров : давления, температуры, удельного объема, внутренней энергией.

(слайд 17)

Микроскопическое состояние  определяется совокупностью параметров, определяющих состояние каждой из молекул системы: скоростью, положением в пространстве. Это несравненно более детальная характеристика системы.

На основе житейского примера можно установить, что микросостоянию отвечает какое-то одно определенное расположение предметов, а макросостоянию – оценка ситуации в целом : либо «порядок», либо «хаос».

Определённое макросостоние может быть реализовано огромным числом различных микросостояний. Все микроскопические состояния изолированной системы равновероятны; ни одно из них не выделено, не занимает преимущественного положения.

Вероятность состояния

(слайд 18)

С течением времени микросостояния непрерывно сменяют друг друга. Вероятность макроскопического состояния равна отношению числа микросостояний, реализующих макросостояние, к полному числу возможных микросостояний.

W =Z1/Z

Переход системы к наиболее вероятному состоянию

(слайд 19)

Эволюция системы происходит в направлении перехода от маловероятных состояний к состояниям более вероятным. Обратный процесс не является невозможным, он просто маловероятен. Так как все микросостояния равновероятны, то может возникнуть макросостояние, реализуемое малым числом микросостояний, но это чрезвычайно редкое событие.

Необратимость процессов связана с тем, что неравновесные макроскопические состояния маловероятны. Эти состояния либо возникают естественным путем в результате эволюции  Вселенной, либо создаются искусственно человеком. Например, мы получаем сильно неравновесные состояния, нагревая рабочее тело теплового двигателя до температур, на сотни градусов превышающих температуру окружающей среды.

Расширение газа из четырех молекул

(слайд 20)

Рассмотрим простой пример, позволяющий вычислить вероятности различных состояний и наглядно показывающий, как увеличение числа частиц в системе приводит к тому, что процессы становятся необратимыми, несмотря на обратимость уравнений движения микрочастиц.
   Пусть в сосуде имеется газ, состоящий всего лишь из четырех молекул. Вначале все молекулы находятся в левой половине сосуда, отделенной перегородкой от правой половины. Уберем перегородку, и газ начнет расширяться, занимая весь сосуд. Посмотрим, какова вероятность того, что газ опять сожмется, т. е. молекулы снова соберутся в одной половине сосуда.

Пронумеруем молекулы цифрами 1, 2, 3, 4. Возможны 16 различных микросостояний.
   Вероятность того, что все молекулы соберутся в левой половине сосуда, равна:

   Вероятность же того, что молекулы распределятся поровну, будет в 6 раз больше:

   Вероятность того, что в одной половине сосуда, например левой, будет три молекулы, а в другой соответственно одна молекула, равна :

   Большую часть времени молекулы будут распределены в половинках сосуда поровну: это наиболее вероятное состояние. Но примерно 2/16 интервала времени наблюдения молекулы будут занимать одну из половинок сосуда. Таким образом, процесс расширения газа в данном примере обратим и газ снова сжимается через сравнительно небольшой промежуток времени.

Необратимость расширения газа с большим числом молекул

Описанная выше обратимость возможна лишь при небольшом числе молекул. Если же число молекул становится огромным, то результат существенно иной.
   Подсчитаем вероятность того, что молекулы вновь соберутся в одной половинке сосуда после расширения, если число молекул произвольно велико.
   Молекулы идеального газа движутся практически независимо друг от друга. Для одной молекулы вероятность того, что она окажется в левой половине сосуда, равна, очевидно, 1/2. Такова же вероятность и для другой молекулы.

Но если взять реальное число молекул газа в 1 см3 при нормальных условиях (n=3•1019), то вероятность того, что молекулы соберутся в одной половине сосуда объемом 1 см3, будет совершенно ничтожна:

(слайд 21)

Только из-за большого числа молекул в макросистемах процессы в природе оказываются практически необратимыми. В принципе обратные процессы возможны, но вероятность их близка к нулю. Не противоречит, законам природы процесс, в результате которого при случайном движении молекул все они соберутся в одной половине класса, а учащиеся в другой половине класса задохнутся. Но реально это событие никогда не происходило в прошлом и не произойдет в будущем.

Стрела времени

(слайд 22)

Стрела времени – выделенное направление, в котором процессы идут сами собой от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному.

Чем больше порядок в системе, тем сложнее восстановить его из беспорядка. Гораздо проще убить живое  существо, чем возвратить его к жизни, если это вообще возможно.

Границы применимости второго закона термодинамики

(слайд 23)

Вероятность обратных процессов перехода от равновесных состояний к неравновесным для макроскопических систем в целом очень мала. Но для малых объемов, содержащих небольшое число молекул, вероятность отклонения от равновесия становится заметной. Возможны отклонения значений параметров от их равновесных значений, называемые флуктуациями. Флуктуации представляют собой самопроизвольные, происходящие в результате теплового движения частиц отклонения значений макроскопических параметров системы от их средних  величин и являются следствием статистической природы этих величин.

(слайд 24)

Второй закон термодинамики выполняется только для систем с огромным числом частиц. Необратимость процессов в природе связана со стремлением систем к переходу в наиболее вероятное состояние, которому отвечает максимальный беспорядок.

Использованная  литература :

http://www.my-ref.net/vtoroj-zakon-termodinamiki/

http://festival.1september.ru/articles/312536/

учебник : физика 10 класс/ авт. : Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский

http://physics.ru/courses/op25part1/content/scientist/kelvin.html#.VzjLjYSLTIU

https://ru.wikipedia.org/wiki

http://edu.znate.ru/docs/3787/index-12809.html?page=3

http://mash-xxl.info/info/732211/