Объяснение:
Второй закон термодинамики устанавливает критерии необратимости термодинамических процессов. Известно много формулировок второго закона, которые эквивалентны друг другу. Мы приведем здесь только одну формулировку, связанную с энтропией.
Существует функция состояния - энтропия S, которая обладает следующим свойством: , (4.1) где знак равенства относится к обратимым процессам, а знак больше - к необратимым.
Для изолированных систем второй закон утверждает: dS і 0, (4.2) т.е. энтропия изолированных систем в необратимых процессах может только возрастать, а в состоянии термодинамического равновесия она достигает максимума (dS = 0,
d 2S < 0).
Неравенство (4.1) называют неравенством Клаузиуса. Поскольку энтропия - функция состояния, ее изменение в любом циклическом процессе равно 0, поэтому для циклических процессов неравенство Клаузиуса имеет вид:
, (4.3)
где знак равенства ставится, если весь цикл полностью обратим.
Энтропию можно определить с двух эквивалентных подходов - статистического и термодинамического. Статистическое определение основано на идее о том, что необратимые процессы в термодинамике вызваны переходом в более вероятное состояние, поэтому энтропию можно связать с вероятностью:
, (4.4)
где k = 1.38 10-23 Дж/К - постоянная Больцмана (k = R / NA), W - так называемая термодинамическая вероятность, т.е. число микросостояний, которые соответствуют данному макросостоянию системы (см. гл. 10). Формулу (4.4) называют формулой Больцмана.
С точки зрения строгой статистической термодинамики энтропию вводят следующим образом:
, (4.5)
где G (E) - фазовый объем, занятый микроканоническим ансамблем с энергией E.
Термодинамическое определение энтропии основано на рассмотрении обратимых процессов:
. (4.6)
Это определение позволяет представить элементарную теплоту в такой же форме, как и различные виды работы:
Qобр = TdS, (4.7)
где температура играет роль обобщенной силы, а энтропия - обобщенной (тепловой) координаты.
Расчет изменения энтропии для различных процессов
Термодинамические расчеты изменения энтропии основаны на определении (4.6) и на свойствах частных производных энтропии по термодинамическим параметрам:
(4.8)
Последние два тождества представляют собой соотношения Максвелла (вывод см. в гл. 5).
1) Нагревание или охлаждение при постоянном давлении.
Количество теплоты, необходимое для изменения температуры системы, выражают с теплоемкости: Qобр = Cp dT.
(4.9)
Пример 4-3. Найдите изменение энтропии газа и окружающей среды, если n молей идеального газа расширяются изотермически от объема V1 до объема V2: а) обратимо; б) против внешнего давления p.
Рис. 2. Деление ядра урана-235
Существует несколько возможных результатов деления ядра урана-235:
1. Распад на барий и криптон с выделением трёх нейтронов:
2. Распад на ксенон и стронций с выделением двух нейтронов:
Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжёлого ядра, возбуждённого захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые осколками деления.
Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60 % нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.
Механизм превращения энергии во время деления ядра. Единица измерения энергии
Поскольку масса покоя тяжёлого ядра урана больше суммы масс покоя осколков, образующихся в результате распада, то реакция деления протекает с выделением энергии. Вычислить эту энергию можно по аналогии с энергией связи.
, где
Кулоновские силы, разгоняя осколки ядра, придают им определённую кинетическую энергию. Однако эти осколки тормозятся окружающей средой, преобразуя свою кинетическую энергию во внутреннюю энергию окружающей среды. Таким образом, вследствие деления ядер урана наблюдается колоссальный нагрев всего окружающего пространства. Для примера, при полном делении всех ядер одного грамма урана выделится энергия эквивалентная сгоранию 2,5 т нефти.
Использовать стандартную единицу измерения энергии (Дж) для ядер не совсем удобно, так как энергия одного ядра крайне мала. Для микромира была введена специальная единица измерения – электронвольт.
Один электронвольт равен работе, которую должно совершить поле при перемещении элементарного заряда между разностью потенциалов 1 В.
Цепная ядерная реакция
Любой из нейтронов, вылетающий из ядра, может попасть в соседнее ядро и вызвать излучение им новых нейтронов, которые, в свою очередь, попадут в новые ядра, и те излучат новые нейтроны. В результате получается процесс, который поддерживает сам себя. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией.
Цепная ядерная реакция – самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.
Суть такой реакции заключается в том, что на первом этапе распада выделяется, допустим, N нейтронов, на следующем этапе – нейтронов, и т. д. (см. Рис. 3). Количество нейтронов в реакции растёт в геометрической прогрессии. Это приводит к тому, что колоссально растёт выделяемая энергия, которая позволяет реакции поддерживать саму себя.
Возможны различные варианты протекания цепных ядерных реакций, эти процессы позволяет описывать физическая величина, которая называется критическая масса.
Критическая масса () – минимальное количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. Критическая масса известна для различных радиоактивных элементов (для урана-235 она составляет 48 кг).
Рис. 3. Рост числа нейтронов при цепной реакции
В зависимости от массы рассматриваемого образца цепные ядерные реакции делят на следующие формы протекания:
1. Если масса образца меньше критической массы (), то число нейтронов убывает и реакция затухает.
2. Если масса образца больше критической массы (), то число нейтронов лавинообразно увеличивается, реакция становится неуправляемой, что приводит к взрыву.
3. Если масса образца соответствует критической, протекает управляемая цепная реакци
Объяснение: