结构推理
下列过程是否可逆?若是不可逆的,它分别存在何种不可逆性?(1)由外界做功设法使水在恒温下蒸发;(2)将0℃的冰投入0.01℃的海洋中;(3)高速行驶的汽车突然刹车;(4)肥皂泡突然破裂;(5)食盐在水中溶解;(6)岩石风化;(7)木柴燃烧;(8)腌菜使菜变咸;(9),光合作用.
【正确答案】(l)由外界做功设法使水在恒温下蒸发.其实外界做功的方式可以有多种.例如:
①将搅拌器放入与恒温热源相接触的水中,搅伴器做的功耗散转变为热使水蒸发.由于有耗散不可逆性,因而是不可逆的.
②为了避免耗散不可逆性的存在,把搅拌器换为无摩擦的导热的气缸和活塞组成的系统.将该系统浸入恒温热源中.恒温热源中还浸入另一开口容器,容器中装有水.当活塞对气缸中的理想气体作准静态等温压缩时,活塞做的功全部转化为热量由气缸向恒温热源释放,而另一容器中的水吸收此热量后蒸发为水汽.这样的过程不仅是无耗散的,而且准静态压缩过程始终满足力学平衡条件.在恒温热源中的传热过程又始终满足热平衡条件.但是容器中蒸发出来的水蒸气要从液体表面附近扩散到大气中.例如,若恒温热源的温度为100℃,则容器内水面附近的水蒸气的分压为0.101 MPa,但是大气中水蒸气的分压却是很低的,因而不满足的化学平衡条件(其中为水蒸气的数密度),它仍然是不可逆的.
③为了使上述装置能够进一步满足化学平衡条件,可以将装有水的容器换为另一个竖直放置的无摩擦的活塞气缸系统.汽缸底存有水,这些水在密闭容器中吸收了以恒温热源为中介,从另一活塞-汽缸系统中等温压缩过程中所释放出的热量.水吸热而蒸发为水蒸气.显然,在密闭汽缸中进行的过程是等温的,因而满足热学平衡条件.在汽缸中的水蒸气等压膨胀满足力学平衡条件.在汽缸中的水蒸气的数密度又满足的化学平衡条件.加之是无摩擦的无耗散过程,这样的过程才真正是可逆的.
(2)将0℃冰投入0.01℃的海洋中.虽然在这样的传热过程中海水与冰的温度差与海水的热力学温度之比满足的热学平衡条件。但是海水是含有3/%的NaCl的溶液,冰是不含有NaCl的纯水.所以在冰熔解过程中,海水中的NaCl向纯水中扩散,这时它不满足于(为水的分子数密度)的化学平衡条件,因而这样的过程是不可逆的.
(3)高速行驶的汽车突然刹车.不满足力学平衡条件,因而是不可逆的.
(4)肥皂泡突然破裂.肥皂泡内部的压强比较大的气体冲入外面的大气中,不满足力学平衡条件.肥皂泡本身又突然收缩为一个小肥皂水滴,它不满足力学平衡条件.
(5)食盐在水中溶解.这和海水中的NaCl向纯水中扩散是完全一样的.
(6)岩石风化.岩石风化是由于大气温度冷热变化,岩石冷热不均,岩石内部产生热应力而裂开,最后风化为砂粒的.岩石冷热不均,说明它不满足力学平衡条件.岩石内部产生热应力而裂开,说明它不满足热学平衡条件,所以这是不可逆过程.
(7)木柴燃烧.在燃烧过程中,空气中的氧气不断向火焰中扩散;燃烧产生的二氧化碳气体向空气中扩散.它不满足化学平衡条件,所以也是不可逆的.
(8)腌菜使菜变咸.实际上是盐水中的钠离子和氯离子透过菜的表皮一层膜渗透到菜的内部,同时菜中组成水的离子渗透到菜外面的过程(所以腌菜时可以看到菜的外面出现水).在渗透的同时必然伴随有扩散,所以该过程是不可逆的.
(9)光合作用.树叶在发生光合作用时,空气中的二氧化碳气体向树叶表面扩散;光合作用产生的氧气从树叶表面向大气中扩散.这同样是不可逆的.
【答案解析】