Prema jednoj od formulacija drugog zakona termodinamike. Drugi zakon termodinamike

Spontani (spontani) procesi opisan sledećim karakteristikama:

1. Svi prirodni spontani procesi odvijaju se u jednom pravcu, odnosno imaju jednosmerni pravac. Na primjer, toplota sa vrućeg tijela prelazi na hladno; gasovi imaju tendenciju da zauzimaju najveću zapreminu.

2. Deo energije prelazi u toplotu, tj. sistem prelazi iz uređenog stanja u stanje sa nasumičnim toplotnim kretanjem čestica.

3. Spontani procesi se mogu koristiti za proizvodnju korisnog rada. Kako transformacija napreduje, sistem gubi sposobnost da obavlja posao. U konačnom stanju ravnoteže, ima najmanju količinu energije.

4. Sistem se ne može vratiti u prvobitno stanje bez ikakvih promjena u sebi ili u okruženju. Svi spontani procesi su termodinamički ireverzibilni.

5. U spontanom procesu, početno stanje je manje vjerovatno u odnosu na svako uzastopno stanje, a najmanje vjerovatno u odnosu na konačno.

Nespontani procesi postupati po cijeni rada; u ovom slučaju, sistem se udaljava od ravnotežnog stanja (na primjer, kompresija plina, elektroliza).

Drugi zakon termodinamike je postulat. Ima statistički karakter i primjenjiv je na sisteme velikog broja čestica.

Drugi zakon termodinamike ima sljedeće formulacije:

1. Toplota ne može spontano preći sa manje zagrejanog tela na više zagrejano.

2. Nemoguć je proces čiji je jedini rezultat pretvaranje toplote u rad.

3. Vječni motor druge vrste je nemoguć. Toplina najhladnijih tijela uključenih u proces ne može poslužiti kao izvor rada.

Analitički izraz drugog zakona termodinamike i njegovo opravdanje korištenjem Carnotovog ciklusa. Suština izraza drugog zakona termodinamike je veza između spontanosti procesa i porasta entropije.Ovaj izraz proizilazi iz razmatranja pitanja teorijske potpunosti transformacije toplote u rad u reverzibilnom Carnot-u. ciklus.

Ciklus se sastoji od četiri procesa:

AB- izotermno širenje zbog topline Q1, spojen na plin na temperaturi T 1;

Ned- adijabatsko širenje;

SD- izotermna kompresija na temperaturi T 2, u ovom procesu gas gubi toplotu Q2;

DA- adijabatska kompresija u početno stanje.

Toplota koja se apsorbuje (ili oslobađa) tokom izotermnog širenja (ili kompresije) jednog mola idealnog gasa jednaka je radu

Sa adijabatskim širenjem (ili kontrakcijom)

Primjena ovih jednačina na odgovarajuće ciklusne procese dovodi do izraza za termodinamičku efikasnost (efikasnost): . (4.3)

Jednačina (4.3) je matematički izraz drugog zakona termodinamike.

Jer T1‹ T2, onda η < jedan.

Prema Karnoovoj teoriji, zamena idealnog gasa bilo kojom drugom supstancom neće dovesti do promene efikasnosti. Carnotov ciklus. Zamjena Carnotovog ciklusa bilo kojim drugim ciklusom će dovesti do manje efikasnosti. (Clasius-Carnot teorema). Dakle, čak iu slučaju idealnog toplotnog motora pretvaranje toplote u rad ne može biti potpuna.

Izraz drugog zakona termodinamike omogućava nam da uvedemo koncept entropije, uz pomoć kojeg se suština zakona otkriva u prikladnom i općenitom obliku.

Promijenimo izraz (4.3):

na . (4.4)

Omjer se naziva smanjena toplina. Jednačina (4.4) pokazuje da je algebarski zbir reduciranih toplota u toku reverzibilnog Carnotovog ciklusa nula.

Za infinitezimalni reverzibilni Carnotov ciklus

gdje je elementarna redukovana toplina.

Svaki ciklus se može zamijeniti skupom beskonačno malih Carnotovih ciklusa: .

U limitu, ovaj iznos će se pretvoriti u.

U teoriji integrala je dokazano da ako je integral na zatvorenoj konturi jednak nuli, onda je integrand ukupni diferencijal neke funkcije parametara koji određuju stanje sistema.

gdje S- ovo je entropija, takva funkcija stanja sistema, čiji je ukupni diferencijal u reverzibilnom procesu jednak omjeru beskonačno male količine topline i temperature.

Koncept "entropije" uveo je Klauzije (1850.) . Ovaj izraz je matematički izraz drugog zakona termodinamike za reverzibilne procese.

Promjena entropije u reverzibilnom procesu jednaka je promjeni entropije u ireverzibilnom procesu, tj. . Uporedimo toplote reverzibilnih i ireverzibilnih procesa. Prema prvom zakonu termodinamike . Unutrašnja energija U je funkcija stanja sistema, dakle . Maksimalni rad se obavlja u reverzibilnom procesu, dakle

Općenito, za reverzibilne i ireverzibilne procese Drugi zakon termodinamike ima sljedeći matematički izraz:

Evo dS = konst, a mijenja se samo desna strana jednačine, tj. vrijednost toplotne vrijednosti. Entropijske jedinice: [ S] = J/mol K.

Kombinovana jednadžba prvog i drugog zakona termodinamike:

Proračun promjene entropije idealnog plina.

Izražavamo promjenu unutrašnje energije

Dijeljenje jednadžbe (4.6) sa T, definiramo promjenu entropije:

(4.7)

Iz jednačine idealnog plina: slijedi da . Zatim, nakon zamjene ove relacije u (4.7):

(4.8)

Integriramo izraz (4.8) kao i dobijemo jednadžba za izračunavanje promjene entropije idealnog plina:

(4.9)

izotermni proces, : , (4.10)

od tada . (4.11)

Izohorni proces, : . (4.12)

Izobarski proces, : . (4.13)

Adijabatski proces, : . (4.14)

Plankov postulat ima sljedeću formulaciju: na apsolutnoj nuli, entropija pravilno formiranih kristala čistih tvari jednaka je nuli. Postulat omogućava izračunavanje apsolutne vrijednosti entropije ako su poznate topline faznih prijelaza i ako su poznati toplinski kapaciteti tvari u različitim agregatnim stanjima.

Kako nastaje energija, kako se pretvara iz jednog oblika u drugi i šta se dešava sa energijom u zatvorenom sistemu? Na sva ova pitanja mogu se odgovoriti zakonima termodinamike. O drugom zakonu termodinamike danas ćemo detaljnije govoriti.

Zakoni u svakodnevnom životu

Zakoni regulišu svakodnevni život. Zakoni o putevima kažu da morate stati na znakovima stop. Vlada traži da dio njihove plate daju državi i saveznoj vladi. Čak su i naučne primenjive na svakodnevni život. Na primjer, zakon gravitacije predviđa prilično loš ishod za one koji pokušaju letjeti. Drugi skup naučnih zakona koji utiču na svakodnevni život su zakoni termodinamike. Dakle, može se dati niz primjera da se vidi kako oni utiču na svakodnevni život.

Prvi zakon termodinamike

Prvi zakon termodinamike kaže da se energija ne može stvoriti ili uništiti, ali se može transformirati iz jednog oblika u drugi. Ovo se ponekad naziva i zakonom održanja energije. Pa kako se ovo odnosi na svakodnevni život? Pa, uzmite, na primjer, kompjuter koji sada koristite. Hrani se energijom, ali odakle ta energija? Prvi zakon termodinamike nam govori da ova energija nije mogla doći iz zraka, pa je došla odnekud.

Možete pratiti ovu energiju. Računar se napaja strujom, ali odakle dolazi struja? Tako je, iz elektrane ili hidroelektrane. Ako uzmemo u obzir drugu, onda će ona biti povezana s branom koja zadržava rijeku. Rijeka ima vezu sa kinetičkom energijom, što znači da rijeka teče. Brana pretvara ovu kinetičku energiju u potencijalnu energiju.

Kako funkcionira hidroelektrana? Voda se koristi za okretanje turbine. Kada se turbina okreće, pokreće se generator koji stvara električnu energiju. Ova električna energija može se u potpunosti pokrenuti u žicama od elektrane do vašeg doma, tako da kada uključite kabel za napajanje u električnu utičnicu, struja će ući u vaš računar kako bi mogao raditi.

Šta se desilo ovde? Već je postojala određena količina energije koja je bila povezana s vodom u rijeci kao kinetička energija. Zatim se pretvorio u potencijalnu energiju. Brana je tada uzela tu potencijalnu energiju i pretvorila je u električnu energiju, koja bi potom mogla ući u vaš dom i napajati vaš računar.

Drugi zakon termodinamike

Proučavanjem ovog zakona može se razumjeti kako energija funkcionira i zašto se sve kreće ka mogućem haosu i neredu. Drugi zakon termodinamike naziva se i zakon entropije. Jeste li se ikada zapitali kako je nastao svemir? Prema Teoriji velikog praska, prije nego što se sve rodilo, skupila se ogromna količina energije. Univerzum se pojavio nakon Velikog praska. Sve je to dobro, ali kakva je to energija bila? Na početku vremena, sva energija u svemiru bila je sadržana na jednom relativno malom mjestu. Ova intenzivna koncentracija predstavljala je ogromnu količinu onoga što se zove potencijalna energija. Vremenom se proširio po ogromnom prostranstvu našeg Univerzuma.

U mnogo manjem obimu, rezervoar vode koji drži brana sadrži potencijalnu energiju, budući da njena lokacija omogućava da teče kroz branu. U svakom slučaju, pohranjena energija, jednom oslobođena, širi se i to čini bez ikakvog napora. Drugim riječima, oslobađanje potencijalne energije je spontani proces koji se odvija bez potrebe za dodatnim resursima. Kako se energija distribuira, dio se pretvara u korisnu energiju i obavlja neki rad. Ostatak se pretvara u neupotrebljivu, jednostavno nazvanu toplinu.

Kako se svemir nastavlja širiti, on sadrži sve manje upotrebljive energije. Ako je dostupno manje korisnog, može se obaviti manje posla. Budući da voda teče kroz branu, ona također sadrži manje korisne energije. Ovo smanjenje upotrebljive energije tokom vremena naziva se entropija, gde je entropija količina neiskorištene energije u sistemu, a sistem je jednostavno skup objekata koji čine celinu.

Entropija se takođe može nazvati količinom slučajnosti ili haosa u organizaciji bez organizacije. Kako se korisna energija vremenom smanjuje, neorganiziranost i haos se povećavaju. Dakle, kako se akumulirana potencijalna energija oslobađa, sve se to ne pretvara u korisnu energiju. Svi sistemi doživljavaju ovo povećanje entropije tokom vremena. Ovo je vrlo važno razumjeti, a ovaj fenomen se zove drugi zakon termodinamike.

Entropija: slučajnost ili defekt

Kao što ste možda pretpostavili, drugi zakon slijedi prvi, koji se obično naziva zakon održanja energije, i kaže da se energija ne može stvoriti i uništiti. Drugim riječima, količina energije u svemiru ili bilo kojem sistemu je konstantna. Drugi zakon termodinamike obično se naziva zakon entropije, i on smatra da kako vrijeme prolazi, energija postaje manje korisna i njen kvalitet opada tokom vremena. Entropija je stepen slučajnosti ili defekata koje sistem ima. Ako je sistem veoma neuređen, onda ima veliku entropiju. Ako postoji mnogo grešaka u sistemu, onda je entropija niska.

Jednostavno rečeno, drugi zakon termodinamike kaže da se entropija sistema ne može smanjiti tokom vremena. To znači da u prirodi stvari idu iz stanja reda u stanje nereda. I to je nepovratno. Sistem nikada neće postati uređeniji sam od sebe. Drugim riječima, u prirodi se entropija sistema uvijek povećava. Jedan od načina da razmišljate o tome je vaš dom. Ako ga nikada ne čistite i usisavate, uskoro ćete imati užasan nered. Entropija se povećala! Da biste ga smanjili, potrebno je energijom koristiti usisivač i krpu za čišćenje površine od prašine. Kuća se neće sama čistiti.

Šta je drugi zakon termodinamike? Formulacija jednostavnim riječima kaže da kada se energija mijenja iz jednog oblika u drugi, materija se ili kreće slobodno, ili se entropija (poremećaj) u zatvorenom sistemu povećava. Razlike u temperaturi, pritisku i gustoći imaju tendenciju da se s vremenom horizontalno izravnaju. Zbog gravitacije, gustina i pritisak se ne izjednačavaju okomito. Gustina i pritisak na dnu će biti veći nego na vrhu. Entropija je mjera širenja materije i energije gdje god joj je dostupan. Najčešća formulacija drugog zakona termodinamike uglavnom je povezana s Rudolfom Clausiusom koji je rekao:

Nemoguće je izgraditi uređaj koji ne proizvodi drugi efekat osim prenosa toplote sa tela niže temperature na telo više temperature.

Drugim riječima, sve pokušava da održi istu temperaturu tokom vremena. Postoje mnoge formulacije drugog zakona termodinamike koje koriste različite termine, ali sve znače istu stvar. Još jedna Clausiusova izjava:

Sama toplota ne prelazi sa hladnijeg na toplije telo.

Drugi zakon se primjenjuje samo na velike sisteme. Odnosi se na vjerovatno ponašanje sistema u kojem nema energije ili materije. Što je sistem veći, vjerovatniji je drugi zakon.

Druga formulacija zakona:

Ukupna entropija uvijek raste u spontanom procesu.

Povećanje entropije ΔS tokom procesa mora biti veće ili jednako omjeru količine topline Q koja je prenesena sistemu i temperature T na kojoj se toplota prenosi.

Termodinamički sistem

U opštem smislu, formulacija drugog zakona termodinamike jednostavnim terminima kaže da temperaturne razlike između sistema u kontaktu imaju tendenciju da se izjednače i da se rad može dobiti iz ovih neravnotežnih razlika. Ali u ovom slučaju dolazi do gubitka toplinske energije, a entropija se povećava. Razlike u pritisku, gustini i temperaturi imaju tendenciju da se izjednače ako im se pruži prilika; gustina i pritisak, ali ne i temperatura, zavise od gravitacije. Toplotni stroj je mehanički uređaj koji pruža koristan rad zbog razlike u temperaturi između dva tijela.

Termodinamički sistem je onaj koji stupa u interakciju i razmjenjuje energiju sa područjem oko sebe. Razmjena i prijenos moraju se dogoditi na najmanje dva načina. Jedan od načina bi trebao biti prijenos topline. Ako je termodinamički sistem "u ravnoteži", on ne može promijeniti svoje stanje ili status bez interakcije sa svojom okolinom. Jednostavno, ako ste u ravnoteži, vi ste "srećan sistem", ne možete ništa učiniti. Ako želite nešto učiniti, morate komunicirati sa vanjskim svijetom.

Drugi zakon termodinamike: nepovratnost procesa

Nemoguće je imati ciklični (ponavljajući) proces koji u potpunosti pretvara toplinu u rad. Takođe je nemoguće imati proces koji prenosi toplotu sa hladnih na tople predmete bez upotrebe rada. Nešto energije u reakciji se uvijek gubi u toplinu. Takođe, sistem ne može svu svoju energiju pretvoriti u radnu energiju. Drugi dio zakona je očigledniji.

Hladno tijelo ne može zagrijati toplo tijelo. Toplina prirodno teče iz toplijih u hladnija područja. Ako toplota prelazi sa hladnijeg na toplije, to je u suprotnosti sa onim što je "prirodno" tako da sistem mora da uradi neki posao da bi se to desilo. u prirodi - drugi zakon termodinamike. Ovo je možda najpoznatiji (barem među naučnicima) i najvažniji zakon svih nauka. Jedna od njegovih izjava:

Entropija univerzuma teži maksimumu.

Drugim riječima, entropija ili ostaje ista ili postaje veća, entropija Univerzuma se nikada ne može smanjiti. Problem je što je to uvijek istina. Ako uzmete bočicu parfema i raspršite je po prostoriji, uskoro će mirisni atomi ispuniti cijeli prostor, a ovaj proces je nepovratan.

Odnosi u termodinamici

Zakoni termodinamike opisuju odnos između toplotne energije ili toplote i drugih oblika energije i kako energija utiče na materiju. Prvi zakon termodinamike kaže da energija ne može biti stvorena ili uništena; ukupna količina energije u svemiru ostaje nepromijenjena. Drugi zakon termodinamike odnosi se na kvalitet energije. Navodi da se kako se energija prenosi ili pretvara, gubi se sve više upotrebljive energije. Drugi zakon takođe kaže da postoji prirodna tendencija da svaki izolovani sistem postane neuređeniji.

Čak i kada se na određenoj lokaciji poveća red, kada se uzme u obzir cijeli sistem, uključujući i okolinu, uvijek dolazi do povećanja entropije. U drugom primjeru, kristali se mogu formirati iz otopine soli kada se voda isparava. Kristali su uređeniji od molekula soli u rastvoru; međutim, isparena voda je mnogo neuređenija od tečne vode. Proces, uzet u cjelini, rezultira neto povećanjem poremećaja.

Rad i energija

Drugi zakon objašnjava da je nemoguće pretvoriti toplotnu energiju u mehaničku sa 100 postotnom efikasnošću. Primjer je automobil. Nakon procesa zagrijavanja plina kako bi se povećao njegov pritisak za pokretanje klipa, uvijek ostaje nešto topline u plinu koja se ne može iskoristiti za obavljanje bilo kakvog dodatnog rada. Ova otpadna toplota se mora odbaciti prenošenjem na radijator. U slučaju automobilskog motora, to se radi izvlačenjem mješavine istrošenog goriva i zraka u atmosferu.

Osim toga, svaki uređaj s pokretnim dijelovima stvara trenje koje pretvara mehaničku energiju u toplinu, koja je obično neupotrebljiva i mora se ukloniti iz sistema prijenosom na radijator. Kada su toplo telo i hladno telo u kontaktu jedno sa drugim, toplotna energija će teći od toplog tela do hladnog tela sve dok ne postignu toplotnu ravnotežu. Međutim, toplota se nikada neće vratiti na drugu stranu; temperaturna razlika između dva tijela se nikada neće spontano povećati. Premještanje toplote iz hladnog tijela u vruće zahtijeva rad koji treba obaviti vanjski izvor energije kao što je toplotna pumpa.

Sudbina univerzuma

Drugi zakon takođe predviđa kraj svemira. Ovo je krajnji nivo nereda, ako postoji stalna termička ravnoteža svuda, ne može se obaviti nikakav rad i sva energija će završiti kao nasumično kretanje atoma i molekula. Prema savremenim podacima, Metagalaksija je nestacionarni sistem koji se širi, a o toplotnoj smrti Univerzuma ne može biti govora. Termička smrt je stanje termičke ravnoteže u kojem prestaju svi procesi.

Ova pozicija je pogrešna, jer se drugi zakon termodinamike odnosi samo na zatvorene sisteme. A svemir je, kao što znate, neograničen. Međutim, sam izraz "toplinska smrt Univerzuma" ponekad se koristi za označavanje scenarija budućeg razvoja Univerzuma, prema kojem će se on nastaviti širiti u beskonačnost u tamu svemira sve dok se ne pretvori u rasutu hladnu prašinu.

Osnovne odredbe drugog zakona termodinamike

Prvi zakon termodinamike, kao poseban slučaj opšteg zakona održanja i transformacije energije, kaže da se toplota može pretvoriti u rad, a rad u toplotu, bez uspostavljanja uslova pod kojima su te transformacije moguće.

On uopće ne razmatra pitanje smjera toplinskog procesa, a bez poznavanja tog smjera nemoguće je predvidjeti njegovu prirodu i rezultate.

Na primjer, prvi zakon ne rješava pitanje da li će doći do prijenosa topline sa zagrijanog tijela na hladno ili obrnuto. Svakodnevna zapažanja i eksperimenti pokazuju da se toplota može sama preneti samo sa zagrejanih tela na hladnija. Prijenos topline sa zagrijanog tijela na medij će se odvijati do potpune temperaturne ravnoteže sa okolinom. Samo utroškom rada može se promijeniti smjer kretanja topline.

Ovo svojstvo topline oštro ga razlikuje od rada.

Rad se, kao i sve druge vrste energije uključene u bilo koji proces, lako i potpuno pretvara u toplinu. Potpuna konverzija rada u toplinu bila je poznata čovjeku u antičko doba, kada je vatru pravio trljanjem dva komada drveta. Procesi pretvaranja rada u toplinu odvijaju se kontinuirano u prirodi: trenje, udar, kočenje itd.

Toplina se ponaša sasvim drugačije, na primjer, u toplinskim motorima. Transformacija toplote u rad se dešava samo kada postoji temperaturna razlika između izvora toplote i hladnjaka. Međutim, sva toplota se ne može pretvoriti u rad.

Iz rečenog proizilazi da postoji duboka razlika između pretvaranja toplote u rad i obrnuto. Zakon koji vam omogućava da naznačite smjer toka topline i uspostavlja maksimalnu moguću granicu za pretvaranje topline u rad u toplinskim motorima je novi zakon, stečeno iskustvom. Ovo je drugi zakon termodinamike, koji je od opšteg značaja za sve termičke procese. Drugi zakon termodinamike nije ograničen na tehnologiju; Koristi se u fizici, hemiji, biologiji, astronomiji itd.

Godine 1824., Sadi Carnot, francuski inženjer i naučnik, u svojoj raspravi o pokretačkoj sili vatre, izložio je suštinu drugog zakona.

Pedesetih godina prošlog veka Klauzije je dao najopštiju i najsavremeniju formulaciju drugog zakona termodinamike u obliku sledećeg postulata: Toplota ne može preći s hladnog tijela na toplije sama po sebi slobodnim procesom (bez kompenzacije)". Clausiusov postulat treba posmatrati kao eksperimentalni zakon, dobijen posmatranjem okolne prirode. Clausiusov zaključak je napravljen u odnosu na oblast tehnologije, ali se pokazalo da je i drugi zakon u odnosu na fizičke i hemijske pojave tačan. Clausiusov postulat, kao i sve druge formulacije drugog zakona, izražava jedan od osnovnih, ali ne i apsolutnih zakona prirode, budući da je formuliran u odnosu na objekte koji imaju konačne dimenzije u zemaljskim uvjetima oko nas.

Istovremeno s Clausiusom 1851. Thomson je iznio još jednu formulaciju drugog zakona termodinamike, iz koje slijedi da ne može sva toplina primljena iz izvora topline ići u rad, već samo dio nje.

Dio toplote mora ići na hladnjak.

Dakle, za dobijanje posla potrebno je imati izvor toplote visoke temperature, odnosno hladnjak, i niskotemperaturni izvor topline, ili prijemnik toplote. Osim toga, Thomsonov postulat pokazuje da nije moguće izgraditi vječni motor koji bi stvarao rad koristeći samo unutrašnju energiju mora, okeana i zraka. Ova pozicija se može formulisati kao drugi zakon termodinamike: "Implementacija perpetualnog motora druge vrste je nemoguća." Pod vječnim motorom druge vrste podrazumijeva se takav motor koji je sposoban u potpunosti pretvoriti u rad svu toplinu primljenu samo iz jednog izvora.

Pored navedenih, postoji još nekoliko formulacija drugog zakona termodinamike, koje, u suštini, ne unose ništa novo pa stoga nisu ni date.

Entropija.

Drugi zakon termodinamike, kao i prvi zakon (zakon održanja energije), ustanovljen je empirijski. Prvi ga je formulisao Klauzijus: "sama toplota prelazi samo sa tela sa višom temperaturom na telo sa nižom temperaturom i ne može se spontano kretati u suprotnom smeru."

Druga formulacija: sve spontani procesi u prirodi idu sa povećanjem entropija. (Entropija- mjera slučajnosti, poremećaj sistema). Razmotrimo sistem dva dodirujuća tijela s različitim temperaturama. Toplo kretaće se od tijela sa višom temperaturom u tijelo sa nižom temperaturom sve dok temperature oba tijela ne budu jednake. U ovom slučaju, određeni iznos će biti prebačen s jednog tijela na drugo toplota dQ. Ali entropija istovremeno će se prvo tijelo smanjiti za manji iznos nego što će se povećati za drugo tijelo koje uzima toplina, pošto je, po definiciji, dS=dQ/T (temperatura u nazivniku!). Odnosno, kao rezultat ovoga entropija spontanog procesa sistem dva tela postaće veći od zbira entropija ova tijela prije početka procesa. Drugim riječima, spontani proces prenos toplote sa tela sa visokom temperaturom na telo sa nižom temperaturom entropija sistem ova dva tijela se povećao!

Najvažnija svojstva entropije zatvorenih sistema:

a) Entropija zatvorenog sistema koji izvodi reverzibilni Carnotov ciklus se ne mijenja:

ΔS arr =0, S=konst.

b) Entropija zatvorenog sistema koji izvodi ireverzibilni Carnotov ciklus raste:

∆S unmod >0.

c) Entropija zatvorenog sistema ne opada ni za jedan proces koji se u njemu odvija: ΔS≥0.

Sa elementarnom promjenom stanja zatvorenog sistema, entropija se ne smanjuje: dS≥0. Znak jednakosti se odnosi na reverzibilne procese, a znak nejednakosti na ireverzibilne. Tačka c) je jedna od formulacija drugog zakona (početka) termodinamike. Za proizvoljni proces koji se odvija u termodinamičkom sistemu, tačna je relacija:

gdje je T temperatura tijela koje javlja. Energija termodinamičkog sistema δQ u procesu infinitezimalne promjene stanja sistema. Koristeći prvi zakon termodinamike za δQ, prethodna nejednakost se može prepisati u obliku koji kombinuje prvi i drugi zakon termodinamike: TdS ≥ dU+δA.

Entropijska svojstva.

1. Dakle, entropija je funkcija stanja. Ako se proces odvija duž adijabata, onda se entropija sistema ne mijenja. Dakle, adijabate su takođe izentrope. Svaka "viša" adijabat (izoentropa) odgovara većoj vrijednosti entropije. To je lako provjeriti provođenjem izotermnog procesa između tačaka 1 i 2 koje leže na različitim adijabatima (*vidi sliku). U ovom procesu, T=const, tako da je S2-S1=Q/T. Za idealan gas, Q je jednak radu A koji je izvršio sistem. A pošto A>0, to znači S 2 >S 1. Dakle, znajući kako izgleda adijabatski sistem. Lako je odgovoriti na pitanje o povećanju entropije tokom bilo kojeg procesa između nas interesantnih ravnotežnih stanja 1 i 2. Entropija je aditivna veličina: entropija makrosistema jednaka je zbiru entropija njegovih pojedinačnih dijelova.

3. Jedno od najvažnijih svojstava entropije je da se entropija zatvorenog (tj. termički izolovanog) makrosistema ne smanjuje – ili raste ili ostaje konstantna. Ako sistem nije zatvoren, onda se njegova entropija može i povećati i smanjiti.

Princip povećanja entropije zatvorenih sistema je još jedna formulacija drugog zakona termodinamike. Veličina povećanja entropije u zatvorenom makrosistemu može poslužiti kao mjera ireverzibilnosti procesa koji se odvijaju u sistemu. U graničnom slučaju, kada su procesi reverzibilni, entropija zatvorenog makrosistema se ne mijenja.

Razlika ΔS entropije u dva stanja sistema ima fizičko značenje. Da biste odredili promjenu entropije u slučaju ireverzibilnog prijelaza sistema iz jednog stanja u drugo, potrebno je osmisliti neku vrstu reverzibilnog procesa koji povezuje početno i konačno stanje, te pronaći smanjenu toplinu koju sistem prima. tokom takve tranzicije.

Rice. 3.12.4 - Nepovratni proces ekspanzije plina "u prazninu" u odsustvu izmjene topline

Samo početno i konačno stanje gasa u ovom procesu su u ravnoteži i mogu se prikazati na dijagramu (p, V). Tačke (a) i (b) koje odgovaraju ovim stanjima leže na istoj izotermi. Da bi se izračunala promjena entropije ΔS, može se razmotriti reverzibilni izotermni prijelaz iz (a) u (b). Budući da tokom izotermnog širenja gas prima određenu količinu toplote od okolnih tela Q > 0, možemo zaključiti da se entropija povećava tokom nepovratnog širenja gasa: ΔS > 0.

Drugi primjer ireverzibilnog procesa je prijenos topline na konačnoj temperaturnoj razlici. Na sl. 3.12.5 prikazuje dva tijela zatvorena u adijabatskoj ljusci. Početne tjelesne temperature T 1 i T 2< T 1 . При теплообмене температуры тел постепенно выравниваются. Более теплое тело отдает некоторое количество теплоты, а более холодное – получает. Приведенное тепло, получаемое холодным телом, превосходит по модулю приведенное тепло, отдаваемое горячим телом. Отсюда следует, что изменение энтропии замкнутой системы в необратимом процессе теплообмена ΔS > 0.

Rast entropije je zajedničko svojstvo svih spontanih ireverzibilnih procesa u izolovanim termodinamičkim sistemima. Kod reverzibilnih procesa u izolovanim sistemima, entropija se ne menja: ΔS≥0. Ova relacija se naziva zakon povećanja entropije. U bilo kom procesu koji se odvija u termodinamički izolovanim sistemima, entropija ili ostaje nepromenjena ili se povećava.

Dakle, entropija ukazuje na smjer spontanih procesa. Povećanje entropije ukazuje da se sistem približava stanju termodinamičke ravnoteže. U stanju ravnoteže entropija poprima maksimalnu vrijednost. Zakon povećanja entropije može se uzeti kao još jedna formulacija drugog zakona termodinamike.

L. Boltzmann je 1878. dao probabilističko tumačenje koncepta entropije. Predložio je da se entropija razmotri kao mjera statističkog nereda u zatvorenom termodinamičkom sistemu. Svi spontani procesi u zatvorenom sistemu, koji sistem približavaju stanju ravnoteže i praćeni povećanjem entropije, usmereni su ka povećanju verovatnoće stanja.

Svako stanje makroskopskog sistema koji sadrži veliki broj čestica može se realizovati na mnogo načina. Termodinamička vjerovatnoća W stanja sistema je broj načina na koje se dato stanje makroskopskog sistema može realizovati, ili broj mikrostanja koja ostvaruju dato makrostanje. Po definiciji, termodinamička vjerovatnoća je W >> 1.

Na primjer, ako se u posudi nalazi 1 mol plina, tada je moguć veliki broj N načina za smještaj molekula u dvije polovice posude: gdje je Avogadrov broj. Svaka od njih je mikrodržava.

Samo jedno od mikrostanja odgovara slučaju kada su svi molekuli sakupljeni u jednoj polovini (na primjer, desnoj) posude. Verovatnoća takvog događaja je praktično nula. Najveći broj mikrostanja odgovara ravnotežnom stanju, u kojem su molekuli ravnomjerno raspoređeni po volumenu. Stoga je stanje ravnoteže najvjerovatnije. S druge strane, stanje ravnoteže je stanje najvećeg poremećaja u termodinamičkom sistemu i stanje sa maksimalnom entropijom.

Prema Boltzmannu, entropija S sistema i termodinamička vjerovatnoća W su povezane na sljedeći način: S=klnW, gdje je k = 1,38·10 –23 J/K Boltzmanova konstanta. Dakle, entropija je određena logaritmom broja mikrostanja sa kojima se dato makrostanje može realizovati. Stoga se entropija može smatrati mjerom vjerovatnoće stanja termodinamičkog sistema. Vjerovatnosna interpretacija drugog zakona termodinamike dozvoljava spontano odstupanje sistema od stanja termodinamičke ravnoteže. Takva odstupanja se nazivaju fluktuacije. U sistemima koji sadrže veliki broj čestica, značajna odstupanja od ravnotežnog stanja su izuzetno mala.

Kružni termodinamički procesi, ili ciklusi

U prethodno razmatranim termodinamičkim procesima, proučavati pitanja dobivanja rada bilo kao rezultat dovedene topline, ili kao rezultat promjene unutrašnje energije radnog fluida, ili istovremeno kao rezultat oboje. Sa jednim širenjem gasa u cilindru, može se postići samo ograničena količina rada. Zaista, u bilo kojem procesu plinovitog renijuma u cilindru, ipak će doći trenutak kada temperatura i pritisak radnog fluida postanu jednaki temperaturi i pritisku okoline i rad će tu prestati.

Stoga, da bi se ponovo dobio rad, potrebno je vratiti radno tijelo u prvobitno stanje tokom procesa kompresije.

Iz slike 8 slijedi da ako se radni fluid širi duž krivulje 1-3-2, onda proizvodi rad prikazan na pv-dijagramu pl. 13245. Po dolasku do tačke 2 radni fluid se mora vratiti u početno stanje (u tački 1) kako bi ponovo mogao da obavlja rad. Proces vraćanja tijela u početno stanje može se provesti na tri načina.

Slika 8 - Kružni procesi.

1. Kriva kompresije 2-3-1 je ista kao i kriva ekspanzije 1-3-2. U takvom procesu, sav rad dobijen pri širenju (t. 13245) jednak je radu kompresije (mn. 23154) a pozitivni rad jednak je nuli. Kriva kompresije 2-6-1 je iznad linije ekspanzije 1-3-2; .istovremeno, više posla se troši na kompresiju (grafikon 51624) nego što će biti primljen tokom ekspanzije (grafikon 51324).

Kriva kompresije-2-7-1 nalazi se ispod ekspanzione linije 1-3-2. U ovom kružnom procesu, rad ekspanzije (kvadrat 51324) bit će veći od rada kompresije (kvadrat 51724). Kao rezultat toga, pozitivan rad će biti dat prema van, predstavljen kvadratom. 13271 unutar zatvorene linije kružnog procesa ili ciklusa.

Ponavljanjem ciklusa neograničen broj puta, može se postići bilo koja količina rada zbog ulazne topline.

Ciklus koji proizvodi pozitivan rad naziva se direktni ciklus ili ciklus toplotnog motora; u njemu je rad ekspanzije veći od rada kompresije. Ciklus koji troši rad naziva se obrnuto, u njemu je rad kompresije veći od rada ekspanzije. Rashladni uređaji rade u obrnutim ciklusima.

Ciklusi su reverzibilni i nepovratni. Ciklus koji se sastoji od ravnotežnih reverzibilnih procesa naziva se reverzibilan. Radni fluid u takvom ciklusu ne bi trebalo da bude podvrgnut hemijskim promenama.

Ako je barem jedan od procesa uključenih u ciklus nepovratan, tada će biti cijeli ciklus nepovratan.

Rezultati istraživanja idealnih ciklusa mogu se prenijeti na stvarne, nepovratne procese stvarnih mašina uvođenjem eksperimentalnih faktora korekcije.

Toplotna efikasnost i koeficijent performansi ciklusa

Proučavanje bilo kojeg reverzibilnog ciklusa dokazuje da je za implementaciju potrebno u svakoj tački direktnog procesa dovod topline iz emitera topline u radni fluid na beskonačno maloj temperaturnoj razlici i odvođenje topline iz radnog fluida u hladnjake također pri beskonačno maloj temperaturnoj razlici. U ovom slučaju, temperatura dva susjedna izvora topline mora se razlikovati za beskonačno malu vrijednost, jer će u suprotnom, uz konačnu temperaturnu razliku, procesi prijenosa topline biti nepovratni:

Na putu 1-3-2 (slika 8) radni fluid obavlja specifičan rad ekspanzije, numerički jednak kvadratu. 513245, zbog specifične količine topline primljene od emitera topline, a dijelom i zbog njegove unutrašnje energije. Na putu 2-7-1 troši se specifičan rad kompresije, numerički jednak kvadratu. 427154, od kojih se dio u obliku određene količine topline odvodi do hladnjaka, a drugi dio se troši na povećanje unutrašnje energije radnog fluida do početnog stanja. Kao rezultat implementacije direktnog ciklusa, dat će se pozitivan specifičan rad prema van, jednak razlici između rada ekspanzije i kontrakcije. Ovaj rad.

Odnos između specifičnih količina toplote i pozitivnog specifičnog rada određen je prvim zakonom termodinamike.

Pošto se u ciklusu konačno stanje tela poklapa sa početnim stanjem, unutrašnja energija radnog tela se ne menja pa se stoga

Omjer specifične količine topline pretvorene u pozitivan specifični rad u jednom ciklusu i cjelokupne specifične količine topline dovedene u radni fluid naziva se t toplotna efikasnost direktnog

ciklus:

Vrijednost je pokazatelj savršenstva ciklusa toplotnog motora. Što je više, veći dio dovedene topline pretvara se u koristan rad. Vrijednost termičke efikasnosti ciklus je uvijek manji od jedan i može biti jednak jedan ako ili , što se ne može učiniti.

Rezultirajuća jednačina (62) pokazuje da je nemoguće u potpunosti pretvoriti svu toplinu dovedenu radnom fluidu u ciklus u rad bez odvođenja određene količine topline u hladnjak.

Tako se ispostavilo da je Carnotova glavna ideja tačna, naime: u zatvorenom kružnom procesu toplina se može pretvoriti u mehanički rad samo ako postoji temperaturna razlika između emitera topline i hladnjaka. Što je ova razlika veća, to je veća efikasnost. ciklus toplotnog motora.

Razmotrimo sada obrnuti ciklus, koji teče u smjeru suprotnom od kazaljke na satu i prikazan je na pv-dijagramu pl. 13261. Širenje radnog fluida u ovom ciklusu odvija se na nižoj temperaturi od kompresije, a rad ekspanzije (t. 132451) je manji od rada kompresije (t. 162451). Takav ciklus se može izvesti samo uz utrošak vanjskog rada.

U obrnutom ciklusu, toplina se iz hladnjaka dovodi do radnog fluida i troši se specifični rad, pretvarajući se u jednaku količinu topline, koja se zajedno prenosi na hladnjake:

Bez samog utroška rada, takva tranzicija je nemoguća.

Stepen savršenstva obrnutog ciklusa određen je tzv faktor ciklusa.

Koeficijent performansi pokazuje koliko se topline oduzima hladnjaku na račun jedne jedinice rada. Njegova vrijednost je obično veća od jedan.

Carnot ciklusi.

Direktno reverzibilni Carnotov ciklus

Reverzibilni ciklus koji se izvodi između dva izvora toplote konstantne temperature mora se sastojati od dva reverzibilna izotermna i dva reverzibilna adijabatska procesa.

Ovaj ciklus je prvi razmatrao Sadi Carnot u svom djelu “Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o mašinama koje su sposobne da razviju tu silu”, objavljenom 1824. Za bolje razumijevanje procedure za implementaciju ovog ciklusa, zamislite toplotni stroj, čiji cilindar može po potrebi biti i apsolutno toplotno provodljiv i apsolutno ne-termički provodljiv. Neka u prvom položaju klipa početni parametri radnog fluida i temperatura budu jednaki temperaturi uređaja za prijenos topline. Ako je u ovom trenutku cilindar apsolutno toplotno provodljiv i ako se dovede u kontakt sa hladnjakom beskonačno velikog energetskog kapaciteta, prenoseći toplotu radnom fluidu prema izotermi 1-2, tada će se gas proširiti do tačke 2 i raditi posao. Parametri tačke 2: Od tačke 2 cilindar mora biti apsolutno netermičan. Radni fluid sa temperaturom T 1 , koji se širi duž adijabate 2-3 do temperature hladnjaka T 2 , obaviće posao. Parametri tačke 3: . Od tačke 3 činimo cilindar apsolutno toplotno provodljivim. Kompresijom radnog fluida duž izoterme 3-4, istovremeno odvodimo toplotu u hladnjak. Na kraju izotermne kompresije, parametri radnog fluida će biti . Iz tačke 4 u cilindru koji nije provodljiv sa apsolutnom temperaturom, radni fluid se vraća u prvobitno stanje procesom adijabatske kompresije 4-1.

Tako je tokom čitavog ciklusa toplota preneta radnom fluidu iz hladnjaka, a toplota je odvedena u hladnjak.

Termička efikasnost ciklus

Toplina koju dovodi izoterma 1-2 određuje se na sljedeći način:

Apsolutna vrijednost odvedene topline prema izotermi 3-4 nalazi se na sljedeći način:

Zamjenom pronađenih vrijednosti i u jednadžbu za termičku efikasnost dobijamo

Za adijabatski proces širenja, odnosno kontrakcije imamo

i

Dakle, jednačina toplotne efikasnosti Carnot ciklus nakon otkazivanja poprima oblik

Termička efikasnost reverzibilni Carnotov ciklus ovisi samo o apsolutnim temperaturama hladnjaka i hladnjaka. Ona će biti veća, što je viša temperatura hladnjaka i niža temperatura hladnjaka. Termička efikasnost Carnotov ciklus je uvijek manji od jedan, jer da bi se dobila efikasnost jednaka jedan, potrebno je da T 2 =0 ili T 1 = ∞, što nije izvodljivo. Termička efikasnost Carnotov ciklus ne zavisi od prirode radnog fluida i pri T 2 -T 1 jednak je nuli, odnosno ako su tela u toplotnoj ravnoteži, tada je nemoguće pretvoriti toplotu u rad.

Termička efikasnost Carnotov ciklus je najvažniji
u poređenju sa efikasnošću bilo koji ciklus koji se izvodi u jednom i
isti temperaturni raspon. Stoga poređenje
termička efikasnost bilo koji ciklus i Carnotov ciklus vam to omogućava
zaključak o stepenu savršenstva korišćenja toplote u mašini koja radi po datom ciklusu.

U stvarnim motorima, Carnotov ciklus se ne javlja zbog praktičnosti
teškoće. Međutim, teorijski i praktični značaj Carnotovog ciklusa je veoma velik. Služi kao mjerilo u ocjenjivanju izvrsnosti bilo kojeg ciklusa toplotnog motora. .

Reverzibilni Carnotov ciklus, koji se izvodi u temperaturnom opsegu T 1 i T 2 , prikazan je na Ts-dijagramu pravokutnikom 1234 (Slika 9).

Slika 9 - Reverzibilni Carnot ciklus.

Obrnuti reverzibilni Carnotov ciklus

Carnotov ciklus može se odvijati ne samo u naprijed već iu suprotnom smjeru. Slika 10 prikazuje inverzni Carnotov ciklus. Ciklus se sastoji od reverzibilnih procesa i općenito je reverzibilan.

Slika 10 – Obrnuti Carnot ciklus.

Radni fluid se iz početne tačke 1 širi duž adijabatskog 1-4 bez razmene toplote sa okolinom, dok se temperatura T 1 ispušta na T 2 . Nakon toga slijedi dalje širenje plina duž izoterme 4-3 uz dovod topline, koja se uzima iz izvora niske temperature T 2 . Nakon toga slijedi adijabatska kompresija 3-2 sa porastom temperature od T 2 do T 1 . Tokom poslednjeg procesa, odvija se 2-1 izotermna kompresija, tokom koje se toplota odvodi do hladnjaka na visokoj temperaturi.

Posmatrajući obrnuti ciklus u cjelini, može se primijetiti da je utrošeni vanjski rad kompresije veći od rada ekspanzije za vrijednost pl. 14321 unutar zatvorenog ciklusa. Ovaj rad se pretvara u toplotu i zajedno sa toplotom prenosi na izvor sa temperaturom T 1 . Dakle, nakon provedenog specifičnog rada na implementaciji obrnutog ciklusa, moguće je preći sa hladnjaka na hladnjak.

jedinice toplote. U ovom slučaju, toplina koju prima hladnjak jednaka je

Mašina koja radi u obrnutom ciklusu naziva se rashladna mašina. Uzimajući u obzir inverzni Carnotov ciklus, možemo zaključiti da je za prijenos topline sa izvora niske temperature na izvor visoke temperature, kao što slijedi iz Clausiusovog postulata, nužno potrebna energija (ne može se izvršiti slobodnim procesom bez kompenzacija).

Karakteristika efikasnosti rashladnih mašina je koeficijent performansi

za obrnuti Carnot ciklus

Koeficijent performansi obrnutog Carnot ciklusa ovisi o apsolutnim temperaturama i izvorima topline i ima najveću vrijednost u odnosu na koeficijent performansi drugih ciklusa koji se javljaju unutar istog temperaturnog raspona.

Nakon razmatranja direktnog i reverznog Carnotovog ciklusa, moguće je do nekih detalja objasniti formulaciju drugog zakona termodinamike koju je dao Clausius.

Clausius je pokazao da su svi prirodni procesi koji se dešavaju u prirodi spontani procesi (ponekad se nazivaju pozitivnim (ili nekompenziranim procesima) i ne mogu „sami po sebi” bez kompenzacije za tok u suprotnom smjeru.

Spontani procesi uključuju: prijenos topline sa više zagrijanog tijela na manje zagrijano; pretvaranje rada u toplinu; međusobna difuzija tečnosti ili gasova; ekspanzija gasa u prazninu itd.

Nespontani procesi obuhvataju procese koji su suprotni gore navedenim spontanim procesima: prenos toplote sa manje zagrejanog tela na više zagrejano; pretvaranje toplote u rad; podjela na sastavne dijelove supstanci koje difundiraju jedna u drugu itd. Procesi nisu spontani, ali nikada ne teče "sami" bez kompenzacije.

Koji procesi moraju pratiti nespontane procese da bi bili mogući? Pažljivo i sveobuhvatno proučavanje fizičkih pojava koje nas okružuju pokazalo je da su nespontani procesi mogući samo kada su praćeni spontanim procesima. Shodno tome, spontani proces može nastati "sam od sebe", a ne spontan - samo zajedno sa spontanim. Stoga, na primjer, u bilo kojem direktnom kružnom procesu, nespontani proces pretvaranja topline u rad kompenzira se istovremenim spontanim procesom prijenosa dijela dovedene topline od hladnjaka do hladnjaka. .

Pri realizaciji obrnutog ciklusa moguć je i nespontani proces prenošenja toplote sa manje zagrejanog tela na više zagrejano, ali se on ovde kompenzuje spontanim procesom pretvaranja uloženog rada izvana u toplotu.

Dakle, bilo koji ne-spontani proces može nastati samo kada je praćen kompenzujućim spontanim procesom.

Carnotova teorema

Prilikom izvođenja termičke efikasnosti. reverzibilni Carnotov ciklus, korištene su relacije koje vrijede samo za idealan gas. Stoga, da bi se sve što je rečeno o Carnotovom ciklusu moglo proširiti na bilo koje stvarne plinove i pare, potrebno je dokazati da je toplinska efikasnost. Carnotov ciklus ne ovisi o svojstvima tvari s kojima se ciklus provodi. Ovo je sadržaj Carnotove teoreme.

Toplota. Potrošen posao

Isti rezultat se dobija ako pretpostavimo da je . Stoga ostaje jedna moguća varijanta, kada je , što znači da i , odnosno stvarno termička efikasnost. reverzibilni Carnotov ciklus ne zavisi od svojstava radnog fluida i samo je funkcija temperature hladnjaka i hladnjaka.

Predavanje br. 6. Predmet i zadaci teorije prenosa toplote

Prema drugom zakonu termodinamike, spontani proces prenosa toplote u prostoru nastaje pod uticajem temperaturne razlike i usmeren je ka smanjenju temperature. Zakoni prenosa toplote i kvantitativne karakteristike ovog procesa su predmet i zadatak proučavanja teorije. izmjena topline (prijenos topline).

Doktrina prenosa toplote je proučavanje procesa prenosa toplote. Njihova karakteristična karakteristika je njihova svestranost, jer su od velikog značaja u gotovo svim granama tehnike.

Toplotna energija se prenosi, kao i svaka druga energija, u smjeru od najvećeg potencijala do najnižeg. Jer potencijal toplotne energije je temperatura, onda je proces širenja toplote usko povezan sa distribucijom temperature, odnosno sa takozvanim temperaturnim poljem. temperaturno polje je skup vrijednosti temperature u prostoru i vremenu. Općenito, temperatura t u bilo kojoj tački u prostoru je funkcija koordinata x, y, z i vrijeme τ i stoga će jednačina temperaturnog polja biti

t = f(x, y, z, τ). (65)

Polje u kojem se temperatura mijenja s vremenom naziva se prolazno, ili nestacionarni. Ako se temperatura ne mijenja s vremenom, tada se polje naziva stacionarno stanje ili stacionarno, i njegova jednačina će biti

t = f(x, y, z).(66)

Najjednostavniji slučaj temperaturnog polja je stacionarno jednodimenzionalno polje čija jednačina ima oblik

t = f(x). (67)

Prijenos topline koji se događa u nestacionarnom temperaturnom polju naziva se prijenos topline u nestacionarnom načinu rada, iu stacionarnom polju prijenos topline u stabilnom stanju.

Proces prenosa toplote je složen proces koji se sastoji od tri elementarna tipa prenosa toplote – toplotne provodljivosti, konvekcije i toplotnog zračenja (zračenja) (slika 12).

a - toplotna provodljivost; b - konvekcija; a - zračenje

Slika 12 - Varijante prijenosa topline

Drugi zakon termodinamike- jedan od osnovnih zakona fizike, zakon nepada entropije u izolovanom sistemu. On postavlja ograničenja na količinu korisnog rada koji toplotni motor može obaviti. Na fundamentalnom nivou, drugi zakon termodinamike određuje pravac procesa u fizičkom sistemu – od reda ka neredu. Postoji mnogo različitih formulacija drugog zakona termodinamike, koje su općenito ekvivalentne jedna drugoj.

1. Formulacija

2. Alternativne formulacije

Gornja formulacija je vrlo formalna. Postoji mnogo alternativnih formulacija drugog zakona termodinamike. Na primjer, Planck je predložio ovu formulaciju:

Nemoguće je napraviti mašinu koja bi kružila, hladila izvor toplote ili podizala teret bez izazivanja bez promene priroda.

Nemoguće je pretvoriti toplotu u rad bez obavljanja bilo koje druge radnje osim hlađenja sistema.

Priroda teži da se kreće od stanja sa manjom verovatnoćom realizacije u stanja sa većom verovatnoćom realizacije.

Nemoguće je stvoriti vječni motor 2. vrste

Spontani prijenos topline sa manje zagrijanog na više zagrijan je nemoguć

Tamo gdje postoji temperaturna razlika može se raditi

Sljedeći izrazi su uobičajeni:

Nemoguće je napraviti vječni motor druge vrste.

Nemoguće je prenijeti toplotu sa hladnog tijela na toplo bez trošenja energije.

Svaki sistem teži da se kreće od reda ka neredu.

3. Istorijska pozadina

Drugi zakon termodinamike formulisan je sredinom 19. veka, u vreme kada se stvarala teorijska osnova za projektovanje i konstrukciju toplotnih motora. Eksperimenti Mayera i Joulea utvrdili su ekvivalenciju između toplinske i mehaničke energije (prvi zakon termodinamike). Postavilo se pitanje efikasnosti toplotnih motora. Eksperimentalne studije su pokazale da se dio topline nužno gubi tokom rada bilo koje mašine.

U 1850-im i 1860-im, Clausius je razvio koncept entropije u brojnim publikacijama. Godine 1865. konačno je odabrao ime za novi koncept. Ove publikacije su takođe dokazale da se toplota ne može u potpunosti pretvoriti u koristan rad, čime je formulisan drugi zakon termodinamike.

Boltzmann je dao statističku interpretaciju drugog zakona termodinamike uvodeći novu definiciju entropije, koja je bila zasnovana na mikroskopskim atomističkim konceptima.

4. Statistička interpretacija

Iz statističke definicije entropije vidljivo je da povećanje entropije odgovara prelasku u takvo makroskopsko stanje koje karakteriše najveća vrijednost mikroskopskih stanja.

5. Strelica vremena

Ako je početno stanje termodinamičkog sistema neravnotežno, onda on vremenom prelazi u stanje ravnoteže, povećavajući njegovu entropiju. Ovaj proces se odvija samo u jednom pravcu. Obrnuti proces - prelazak iz ravnotežnog stanja u početno neravnotežno stanje se ne ostvaruje. To jest, protok vremena dobija smjer.

Zakoni fizike koji opisuju mikroskopski svijet su invarijantni prema promjeni t u -t. Ova izjava je tačna i za zakone klasične mehanike i za zakone kvantne mehanike. U mikroskopskom svijetu djeluju konzervativne sile, nema trenja koje je rasipanje energije, tj. transformacija drugih vrsta energije u energiju toplotnog kretanja, a to je, zauzvrat, povezano sa zakonom nepadajuće entropije.

Zamislite, na primjer, plin u spremniku smještenom u velikom spremniku. Ako otvorite ventil manje od rezervoara, tada će gas nakon nekog vremena napuniti veći rezervoar na način da će se njegova gustina izjednačiti. Prema zakonima mikroskopskog svijeta, postoji i obrnuti proces, kada se plin iz većeg rezervoara skuplja u manji rezervoar. Ali u makroskopskom svetu to se nikada ne dešava.

6. Toplotna smrt

Ako se entropija svakog izolovanog sistema samo povećava s vremenom, a Univerzum je izolovan sistem, onda će jednog dana entropija dostići maksimum, nakon čega će bilo kakve promjene u njemu postati nemoguće.

Takvo razmišljanje, koje se pojavilo nakon postavljanja drugog zakona termodinamike, naziva se termička smrt. O ovoj hipotezi se naširoko raspravljalo u 19. veku.

Svaki proces u svijetu dovodi do rasipanja dijela energije i njenog pretvaranja u toplinu, do sve većeg nereda. Naravno, naš svemir je još prilično mlad. Na primjer, termonuklearni procesi u zvijezdama uzrokuju stalan protok energije do Zemlje. Zemlja je i ostaće još dugo otvoreni sistem koji prima energiju iz različitih izvora: od Sunca, iz procesa radioaktivnog raspada u jezgru itd. U otvorenim sistemima entropija se može smanjiti, što dovodi do pojave razne uređene strukture.

Jednostavna formulacija prvog zakona termodinamike može zvučati otprilike ovako: promjena unutrašnje energije sistema moguća je samo pod vanjskim utjecajem. Odnosno, da bi došlo do nekih promjena u sistemu, potrebno je uložiti određene napore izvana. U narodnoj mudrosti poslovice mogu poslužiti kao svojevrsni izraz prvog zakona termodinamike - „pod ležećim kamenom voda ne teče“, „ribu ne možeš lako izvući iz bare“ i tako dalje. Odnosno, koristeći kao primjer poslovicu o ribi i radu, može se zamisliti da je riba naš uvjetno zatvoreni sistem, u njemu neće doći do promjena (riba se neće izvući iz ribnjaka) bez našeg vanjskog utjecaja i sudjelovanja (rad).

Zanimljiva činjenica: to je prvi zakon termodinamike koji utvrđuje zašto su propali svi brojni pokušaji naučnika, istraživača, pronalazača da izmisle „večni motor“, jer je po tom zakonu njegovo postojanje apsolutno nemoguće, zašto, vidi stav iznad.

Na početku našeg članka bila je maksimalno jednostavna definicija prvog zakona termodinamike, zapravo u akademskoj nauci postoje čak četiri formulacije suštine ovog zakona:

• Energija se ne pojavljuje nigdje i nigdje ne nestaje, samo prelazi iz jednog oblika u drugi (zakon održanja energije).
• Količina topline koju primi sistem koristi se za obavljanje svog rada protiv vanjskih sila i promjenu unutrašnje energije.
• Promena unutrašnje energije sistema tokom njegovog prelaska iz jednog stanja u drugo jednaka je zbiru rada spoljnih sila i količine toplote prenešene sistemu i ne zavisi od načina na koji se taj prelaz vrši. sprovedeno.
• Promjena unutrašnje energije neizolovanog termodinamičkog sistema jednaka je razlici između količine toplote prenešene sistemu i rada koji sistem izvrši na spoljne sile.

Formula prvog zakona termodinamike

Formula za prvi zakon termodinamike može se napisati na sljedeći način:

Količina toplote Q preneta sistemu jednaka je zbiru promene njegove unutrašnje energije ΔU i rada A.

Procesi prvog zakona termodinamike

Također, prvi zakon termodinamike ima svoje nijanse u zavisnosti od termodinamičkih procesa koji se odvijaju, koji mogu biti izohroni i izobarični, a u nastavku ćemo detaljno opisati svaki od njih.

Prvi zakon termodinamike za izohorni proces

Izohorični proces u termodinamici je proces koji se odvija pri konstantnoj zapremini. Odnosno, ako zagrijete supstancu u posudi, bilo u plinu ili tekućini, doći će do izohornog procesa, budući da će volumen tvari ostati nepromijenjen. Ovaj uslov takođe ima uticaj na prvi zakon termodinamike, koji se odvija tokom izohornog procesa.

U izohoričnom procesu, zapremina V je konstanta, stoga gas ne radi A = 0

Iz ovoga proizilazi sljedeća formula:

Q = ΔU = U (T2) - U (T1).

Ovdje su U (T1) i U (T2) unutrašnje energije plina u početnom i konačnom stanju. Unutrašnja energija idealnog gasa zavisi samo od temperature (Joule-ov zakon). Tokom izohoričnog zagrevanja, gas apsorbuje toplotu (Q > 0), a njegova unutrašnja energija raste. Tokom hlađenja, toplota se prenosi na spoljna tela (Q< 0).

Prvi zakon termodinamike za izobarni proces

Slično, izobarični proces je termodinamički proces koji se odvija u sistemu pri konstantnom pritisku i masi gasa. Stoga, u izobaričnom procesu (p = const), rad koji obavlja plin izražava se sljedećom jednadžbom prvog zakona termodinamike:

A = p (V2 - V1) = p ∆V.

Izobarični prvi zakon termodinamike daje:

Q \u003d U (T2) - U (T1) + p (V2 - V1) \u003d ΔU + p ΔV. Sa izobaričnim širenjem, Q > 0, gas apsorbuje toplotu, a gas vrši pozitivan rad. Pod izobaričnom kompresijom Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Primjena prvog zakona termodinamike

Prvi zakon termodinamike ima praktičnu primjenu na različite procese u fizici, na primjer, omogućava vam izračunavanje idealnih parametara plina u različitim toplinskim i mehaničkim procesima. Osim čisto praktične primjene, ovaj zakon se može koristiti i filozofski, jer kako god kažete, prvi zakon termodinamike je izraz jednog od najopštijih zakona prirode - zakona održanja energije. Čak je i Propovjednik pisao da se ništa ne pojavljuje niotkuda i nikuda ne odlazi, sve ostaje zauvijek, neprestano se preobražava, i to je cijela suština prvog zakona termodinamike.

Video o prvom zakonu termodinamike

I na kraju našeg članka, vaša pažnja je edukativni video o prvom zakonu termodinamike i unutrašnje energije.