Најважније из лекције
Повратни процеси: Систем пролази кроз иста равнотежна међустања у оба смера (график на \(p-V\) дијаграму је идентичан у оба смера). Захтевају изузетно споре промене. Код циклуса систем долази у исто стање, али другим путем.
Други принцип термодинамике: Топлота спонтано прелази само са топлијег тела на хладније (пример: топла соба зими греје хладан спољашњи ваздух). Обратан смер захтева улагање спољашњег рада.
Статистички смисао: Сви спонтани процеси теку у смеру преласка из уређенијег стања (мања вероватноћа) у неуређеније стање (већа вероватноћа), као што је случај код дифузије гасова.
Други принцип термодинамике: Топлота спонтано прелази само са топлијег тела на хладније (пример: топла соба зими греје хладан спољашњи ваздух). Обратан смер захтева улагање спољашњег рада.
Статистички смисао: Сви спонтани процеси теку у смеру преласка из уређенијег стања (мања вероватноћа) у неуређеније стање (већа вероватноћа), као што је случај код дифузије гасова.
Повратни (реверзибилни) процеси јесу процеси код којих систем може прећи из почетног у крајње стање и обрнуто, пролазећи притом кроз потпуно иста међустања.
Да би процес био повратан, све промене параметара (температуре, запремине, притиска) морају се одвијати врло споро, како би систем у сваком међустању био у термодинамичкој равнотежи.
Код кружног процеса (циклуса) систем се враћа у почетно стање, али не мора проћи истим путем и кроз иста међустања као у директном смеру. Код повратног процеса путања у оба смера мора бити идентична.
Да ли је нагло ширење гаса услед пуцања балона повратан процес?
Одговор: Није. То је брз, неравнотежан процес. Систем се не може спонтано вратити у балон кроз иста међустања без трајних промена у околини.
Други принцип термодинамике одређује смер спонтаног одвијања природних процеса, што Први принцип (закон одржања енергије) не може сам да дефинише.
Основна формулација: Топлота спонтано прелази с тела више температуре на тело ниже температуре.
Прелазак топлоте са хладнијег тела на топлије тело није могућ спонтано - такав пренос се може остварити искључиво уз деловање спољашњег утицаја, односно вршењем рада спољашњих сила (као код расхладних уређаја).
Када држимо топлу шољу чаја у рукама, топлота спонтано прелази са топлије шоље на наше хладније руке. Обрнут процес, при коме би руке постале још хладније, а шоља још топлија, никада се не дешава спонтано, иако не би нарушио закон одржања енергије.
Због чега се огромна унутрашња топлотна енергија океана не може спонтано искористити за напајање обичне сијалице?
Одговор: Температура океана је знатно нижа од температуре влакна упаљене сијалице. Према Другом принципу термодинамике, топлота не може спонтано прелазити са тела ниже температуре (океан) на тело више температуре (сијалица).
Сваки спонтан процес у природи тежи да пређе из стања мање вероватноће (уређено стање) у стање веће вероватноће (неуређено стање).
Дифузија гасова: Молекули спонтано прелазе из подручја веће у подручје мање концентрације. Систем два одвојена гаса спонтано прелази у стање хомогено измешаних гасова. Вероватноћа да се једном измешани молекули спонтано раздвоје сваки у своју половину посуде практично је једнака нули.
У ком је стању уређеност већа: када су коцкице леда у чаши воде или када се сав лед истопи и измеша са водом?
Одговор: Уређеност је већа док су коцкице леда чврсте и одвојене од течне воде (стање мање вероватноће). Након топљења систем прелази у мање уређено стање (стање веће термодинамичке вероватноће).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Који принцип термодинамике одређује смер природних процеса и како гласи његова основна формулација о преносу топлоте?
Решење:
Смер одвијања процеса одређује Други принцип термодинамике.
Његова основна формулација гласи: Топлота спонтано прелази с тела више температуре на тело ниже температуре.
Његова основна формулација гласи: Топлота спонтано прелази с тела више температуре на тело ниже температуре.
Задатак 2 (средњи): Идеални гас се из почетног термодинамичког стања 1 шири споро до стања 2, а потом се сабија назад до стања 1, при чему се путање директног и повратног процеса на \(p-V\) дијаграму не поклапају (образују затворену петљу). Да ли је овај процес повратан? Објаснити.
Решење:
Овај процес није повратан, већ представља циклус (кружни процес).
Код повратног процеса систем мора при повратку проћи кроз потпуно иста равнотежна међустања као и у директном процесу (путање на \(p-V\) дијаграму морале би да се поклапају). Пошто се путање разликују, процес није реверзибилан.
Код повратног процеса систем мора при повратку проћи кроз потпуно иста равнотежна међустања као и у директном процесу (путање на \(p-V\) дијаграму морале би да се поклапају). Пошто се путање разликују, процес није реверзибилан.
Задатак 3 (средњи): Зашто се топлота из расхлађеног стана током лета не избацује спонтано у топлу спољашњу средину, и како клима уређај успева да хлади просторију?
Решење:
Спонтани прелазак топлоте могућ је само са топлијег тела на хладније (у овом случају са врелог спољашњег ваздуха у расхлађену собу). Прелазак са хладнијег на топлије тело не може бити спонтан.
Клима уређај то остварује помоћу рада спољашњих сила (електричне енергије која покреће компресор), што је у складу са Другим принципом термодинамике.
Клима уређај то остварује помоћу рада спољашњих сила (електричне енергије која покреће компресор), што је у складу са Другим принципом термодинамике.
Задатак 4 (тежак): Објаснити везу између статистичког тумачења Другог принципа термодинамике и неповратности процеса мешања два гаса. Зашто се измешани гасови никада спонтано не раздвоје?
Решење:
Раздвојено стање представља стање високе уређености које се може реализовати на врло мали број начина (стање изузетно мале вероватноће). Након отварања преграде, хаотично топлотно кретање молекула спонтано води систем ка хомогено измешаном стању које има највећи број могућих микрораспореда (највећу термодинамичку вероватноћу).
Пошто спонтани процеси увек воде из стања мање у стање веће вероватноће, вероватноћа да се сви молекули једног гаса пуким случајем поново окупе на једној страни посуде практично је једнака нули, што процес чини неповратним.
Пошто спонтани процеси увек воде из стања мање у стање веће вероватноће, вероватноћа да се сви молекули једног гаса пуким случајем поново окупе на једној страни посуде практично је једнака нули, што процес чини неповратним.
