Podle jedné z formulací druhého termodynamického zákona. Druhý zákon termodynamiky

Spontánní (spontánní) procesy popsaný následujícími vlastnostmi:

1. Všechny přirozené samovolné procesy probíhají jedním směrem, to znamená, že mají jednosměrný směr. Například teplo z horkého tělesa přechází na studené; plyny mají tendenci zabírat největší objem.

2. Část energie přechází v teplo, tj. systém přechází z uspořádaného stavu do stavu s náhodným tepelným pohybem částic.

3. Spontánní procesy lze využít k produkci užitečné práce. Jak transformace postupuje, systém ztrácí schopnost konat práci. V konečném rovnovážném stavu má nejmenší množství energie.

4. Systém nelze vrátit do původního stavu bez provedení jakýchkoliv změn v něm samotném nebo v prostředí. Všechny spontánní procesy jsou termodynamicky nevratné.

5. Ve spontánním procesu je počáteční stav méně pravděpodobný ve srovnání s každým následným stavem a nejméně pravděpodobný ve srovnání s konečným.

Nespontánní procesy postupovat za cenu práce; v tomto případě se systém vzdaluje od rovnovážného stavu (například komprese plynu, elektrolýza).

Druhý zákon termodynamiky je postulát. Má statistický charakter a je použitelný pro systémy velkého počtu částic.

Druhý termodynamický zákon má následující formulace:

1. Teplo nemůže samovolně přecházet z méně zahřátého tělesa na více zahřáté.

2. Je nemožný proces, jehož jediným výsledkem je přeměna tepla na práci.

3. Perpetum mobile druhého druhu je nemožný. Teplo nejchladnějšího z těles zapojených do procesu nemůže sloužit jako zdroj práce.

Analytické vyjádření druhého termodynamického zákona a jeho zdůvodnění pomocí Carnotova cyklu. Podstatou vyjádření druhého termodynamického zákona je souvislost mezi spontaneitou procesu a nárůstem entropie.Tento výraz vyplývá z úvahy o otázce teoretické úplnosti přeměny tepla na práci v reverzibilním Carnotově cyklus.

Cyklus se skládá ze čtyř procesů:

AB- izotermická roztažnost vlivem tepla Q1, připojený k plynu o teplotě T 1;

slunce- adiabatická expanze;

SD- izotermická komprese při teplotě T 2, při tomto procesu ztrácí plyn teplo Q2;

ANO- adiabatická komprese do výchozího stavu.

Teplo absorbované (nebo uvolněné) během izotermické expanze (nebo komprese) jednoho molu ideálního plynu se rovná práci

S adiabatickou expanzí (nebo kontrakcí)

Aplikace těchto rovnic na odpovídající cyklické procesy vede k vyjádření termodynamické účinnosti (účinnosti): . (4.3)

Rovnice (4.3) je matematickým vyjádřením druhého termodynamického zákona.

Protože T1‹ T2, Že η < 1.

Podle Carnotovy teorie nepovede nahrazení ideálního plynu jakoukoli jinou látkou ke změně účinnosti. Carnotův cyklus. Nahrazení Carnotova cyklu jakýmkoli jiným cyklem povede k nižší účinnosti. (Clasiova-Carnotova věta). Tedy i v případě ideálního tepelného motoru přeměna tepla v práci nemůže být kompletní.

Vyjádření druhého termodynamického zákona nám umožňuje zavést pojem entropie, s jehož pomocí je podstata zákona odhalena v pohodlné a obecné formě.

Změňme výraz (4.3):

na . (4.4)

Poměr se nazývá redukované teplo. Rovnice (4.4) ukazuje, že algebraický součet redukovaných tepel za reverzibilní Carnotův cyklus je nulový.

Pro nekonečně malý reverzibilní Carnotův cyklus

kde je elementární redukované teplo.

Jakýkoli cyklus lze nahradit sadou nekonečně malých Carnotových cyklů: .

V limitu se tato částka promění v.

V teorii integrálů je dokázáno, že pokud je integrál přes uzavřený obrys roven nule, pak je integrand celkovým diferenciálem nějaké funkce parametrů, které určují stav systému.

Kde S- Tento entropie, taková funkce stavu soustavy, jejíž celkový diferenciál se při vratném ději rovná poměru nekonečně malého množství tepla k teplotě.

Pojem „entropie“ zavedl Clausius (1850) . Tento výraz je matematickým vyjádřením druhého termodynamického zákona pro vratné děje.

Změna entropie u vratného procesu se rovná změně entropie u nevratného procesu, tzn. . Srovnejme tepla vratných a nevratných procesů. Podle prvního zákona termodynamiky . Vnitřní energie U je funkcí stavu systému, tak . Maximum práce se dělá v reverzibilním procesu, takže

Obecně pro vratné a nevratné procesy Druhý zákon termodynamiky má následující matematické vyjádření:

Tady dS = konst, a mění se pouze pravá strana rovnice, tzn. hodnota tepelné hodnoty. Entropické jednotky: [ S] = J/mol K.

Kombinovaná rovnice prvního a druhého termodynamického zákona:

Výpočet změny entropie ideálního plynu.

Vyjádříme změnu vnitřní energie

Dělení rovnice (4.6) o T, definujeme změnu entropie:

(4.7)

Z rovnice ideálního plynu: vyplývá, že . Poté, po dosazení tohoto vztahu do (4.7):

(4.8)

Výraz (4.8) integrujeme jako a získáme rovnice pro výpočet změny entropie ideálního plynu:

(4.9)

Izotermický proces: , (4.10)

od té doby . (4.11)

Izochorický proces: . (4.12)

Izobarický proces,: . (4.13)

Adiabatický proces, : . (4.14)

Planckův postulát má následující formulaci: při absolutní nule je entropie správně vytvořených krystalů čistých látek rovna nule. Postulát umožňuje vypočítat absolutní hodnotu entropie, jsou-li známa tepla fázových přechodů a jsou-li známy tepelné kapacity látky v různých agregovaných stavech.

Jak vzniká energie, jak se přeměňuje z jedné formy na druhou a co se děje s energií v uzavřeném systému? Na všechny tyto otázky lze odpovědět zákony termodynamiky. Dnes bude podrobněji probrán druhý termodynamický zákon.

Zákony v běžném životě

Zákony řídí každodenní život. Silniční zákony říkají, že musíte zastavit na stopkách. Vláda požaduje dát část jejich platu státu a federální vládě. I ty vědecké jsou použitelné v každodenním životě. Například gravitační zákon předpovídá spíše špatný výsledek pro ty, kteří se pokusí létat. Dalším souborem vědeckých zákonů, které ovlivňují každodenní život, jsou zákony termodynamiky. Lze tedy uvést řadu příkladů, abychom viděli, jak ovlivňují každodenní život.

První zákon termodynamiky

První zákon termodynamiky říká, že energii nelze vytvořit ani zničit, ale lze ji přeměnit z jedné formy do druhé. Někdy se tomu také říká zákon zachování energie. Jak to tedy platí pro každodenní život? Vezměme si například počítač, který nyní používáte. Živí se energií, ale odkud tato energie pochází? První zákon termodynamiky nám říká, že tato energie nemohla pocházet ze vzduchu, takže přišla odněkud.

Tuto energii můžete sledovat. Počítač je poháněn elektřinou, ale odkud se ta elektřina bere? Přesně tak, z elektrárny nebo vodní elektrárny. Pokud vezmeme v úvahu druhé, pak bude spojeno s přehradou, která zadržuje řeku. Řeka má spojení s kinetickou energií, což znamená, že řeka teče. Přehrada přeměňuje tuto kinetickou energii na potenciální energii.

Jak funguje vodní elektrárna? K otáčení turbíny se používá voda. Když se turbína otáčí, uvede se do pohybu generátor, který bude vyrábět elektřinu. Tato elektřina může být vedena zcela v drátech z elektrárny do vašeho domova, takže když zapojíte napájecí kabel do elektrické zásuvky, elektřina se dostane do vašeho počítače, aby mohl fungovat.

Co se tu stalo? Již existovalo určité množství energie, která byla spojena s vodou v řece jako kinetická energie. Pak se to proměnilo v potenciální energii. Přehrada pak vzala tuto potenciální energii a přeměnila ji na elektřinu, která by pak mohla vstoupit do vašeho domova a napájet váš počítač.

Druhý zákon termodynamiky

Studiem tohoto zákona lze pochopit, jak energie funguje a proč vše směřuje k možnému chaosu a nepořádku. Druhý zákon termodynamiky se také nazývá zákon entropie. Napadlo vás někdy, jak vznikl vesmír? Podle Teorie velkého třesku se před tím, než se vše zrodilo, shromáždilo obrovské množství energie. Vesmír se objevil po velkém třesku. To vše je dobré, ale jaká to byla energie? Na počátku času byla veškerá energie ve vesmíru obsažena na jednom relativně malém místě. Tato intenzivní koncentrace představovala obrovské množství toho, čemu se říká potenciální energie. Postupem času se rozšířila po obrovské rozloze našeho vesmíru.

V mnohem menším měřítku obsahuje nádrž vody drženou přehradou potenciální energii, protože její umístění jí umožňuje protékat přehradou. V každém případě se uložená energie, jakmile se uvolní, rozšíří a udělá to bez vynaložení jakéhokoli úsilí. Jinými slovy, uvolňování potenciální energie je samovolný proces, ke kterému dochází bez potřeby dalších zdrojů. Při distribuci energie se část přeměňuje na užitečnou energii a vykonává určitou práci. Zbytek se přemění na nevyužitelné, jednoduše nazývané teplo.

Jak se vesmír dále rozpíná, obsahuje stále méně využitelné energie. Pokud je k dispozici méně užitečného, ​​lze udělat méně práce. Vzhledem k tomu, že voda protéká přehradou, obsahuje i méně užitečné energie. Tento pokles využitelné energie v průběhu času se nazývá entropie, kde entropie je množství nevyužité energie v systému a systém je jednoduše soubor objektů, které tvoří celek.

Entropie může být také označována jako množství náhodnosti nebo chaosu v organizaci bez organizace. Jak časem ubývá využitelné energie, narůstá dezorganizace a chaos. Když se tedy nahromaděná potenciální energie uvolňuje, ne vše se přeměňuje na užitečnou energii. Všechny systémy zažívají tento nárůst entropie v průběhu času. To je velmi důležité pochopit a tento jev se nazývá druhý termodynamický zákon.

Entropie: náhodnost nebo vada

Jak asi tušíte, druhý zákon navazuje na první zákon, který se běžně označuje jako zákon zachování energie a říká, že energii nelze vytvořit a nelze ji zničit. Jinými slovy, množství energie ve vesmíru nebo jakémkoli systému je konstantní. Druhý termodynamický zákon se běžně nazývá zákon entropie a platí, že jak čas plyne, energie se stává méně užitečnou a její kvalita časem klesá. Entropie je míra náhodnosti nebo defektů, které má systém. Pokud je systém velmi neuspořádaný, pak má velkou entropii. Pokud je v systému mnoho chyb, pak je entropie nízká.

Jednoduše řečeno, druhý termodynamický zákon říká, že entropie systému nemůže v průběhu času klesat. To znamená, že v přírodě věci přecházejí ze stavu pořádku do stavu nepořádku. A je to nevratné. Systém se sám o sobě nikdy nestane uspořádanějším. Jinými slovy, v přírodě se entropie systému vždy zvyšuje. Jedním ze způsobů, jak o tom přemýšlet, je váš domov. Pokud to nikdy neuklízíte a nevysáváte, brzy budete mít hrozný nepořádek. Entropie se zvýšila! K jeho snížení je nutné spotřebovávat energii k použití vysavače a mopu na čištění povrchu od prachu. Dům se sám neuklidí.

Jaký je druhý termodynamický zákon? Formulace jednoduchými slovy říká, že když se energie mění z jedné formy do druhé, hmota se buď volně pohybuje, nebo se entropie (nepořádek) v uzavřeném systému zvyšuje. Rozdíly v teplotě, tlaku a hustotě mají tendenci se časem horizontálně vyrovnávat. Vlivem gravitace se hustota a tlak vertikálně nevyrovnají. Hustota a tlak dole budou větší než nahoře. Entropie je měřítkem šíření hmoty a energie všude, kam má přístup. Nejběžnější formulace druhého termodynamického zákona je spojena především s Rudolfem Clausiem, který řekl:

Není možné sestrojit zařízení, které nevyvolává jiný efekt než přenos tepla z tělesa o nižší teplotě na těleso o vyšší teplotě.

Jinými slovy, vše se snaží udržet stejnou teplotu v průběhu času. Existuje mnoho formulací druhého termodynamického zákona, které používají různé termíny, ale všechny znamenají totéž. Další Clausiův výrok:

Teplo samo o sobě nepostupuje z chladnějšího do teplejšího tělesa.

Druhý zákon platí pouze pro velké systémy. Týká se pravděpodobného chování systému, ve kterém není žádná energie ani hmota. Čím větší systém, tím pravděpodobnější je druhý zákon.

Další znění zákona:

Celková entropie se vždy spontánně zvyšuje.

Nárůst entropie ΔS v průběhu procesu musí překročit nebo se rovnat poměru množství tepla Q přeneseného do systému k teplotě T, při které se teplo předává.

Termodynamický systém

V obecném smyslu formulace druhého termodynamického zákona v jednoduchých termínech říká, že teplotní rozdíly mezi systémy, které jsou ve vzájemném kontaktu, mají tendenci se vyrovnávat a že z těchto nerovnovážných rozdílů lze získat práci. Ale v tomto případě dochází ke ztrátě tepelné energie a zvyšuje se entropie. Rozdíly v tlaku, hustotě a teplotě mají tendenci se vyrovnávat, pokud mají příležitost; hustota a tlak, ale ne teplota, závisí na gravitaci. Tepelný stroj je mechanické zařízení, které poskytuje užitečnou práci díky rozdílu teplot mezi dvěma tělesy.

Termodynamický systém je systém, který interaguje a vyměňuje energii s oblastí kolem sebe. Výměna a převod musí proběhnout alespoň dvěma způsoby. Jedním ze způsobů by měl být přenos tepla. Pokud je termodynamický systém „v rovnováze“, nemůže změnit svůj stav nebo stav bez interakce se svým prostředím. Jednoduše řečeno, pokud jste v rovnováze, jste „šťastný systém“, nedá se nic dělat. Pokud chcete něco udělat, musíte komunikovat s vnějším světem.

Druhý termodynamický zákon: nevratnost procesů

Je nemožné mít cyklický (opakující se) proces, který zcela přemění teplo na práci. Je také nemožné mít proces, který přenáší teplo ze studených předmětů na teplé předměty bez použití práce. Nějaká energie při reakci se vždy ztratí na teplo. Systém také nemůže přeměnit veškerou svou energii na pracovní energii. Druhá část zákona je zjevnější.

Studené tělo nemůže zahřát teplé tělo. Teplo má přirozeně tendenci proudit z teplejších do chladnějších oblastí. Pokud teplo přechází z chladnějšího do teplejšího, je to v rozporu s tím, co je "přirozené", takže systém musí udělat nějakou práci, aby se to stalo. v přírodě - druhý zákon termodynamiky. Toto je možná nejznámější (alespoň mezi vědci) a nejdůležitější zákon celé vědy. Jeden z jeho výroků:

Entropie vesmíru má tendenci k maximu.

Jinými slovy, entropie buď zůstane stejná, nebo se zvětší, entropie vesmíru se nikdy nemůže snížit. Problém je, že to platí vždy. Pokud vezmete lahvičku parfému a rozstříknete ji v místnosti, pak vonné atomy brzy zaplní celý prostor a tento proces je nevratný.

Vztahy v termodynamice

Zákony termodynamiky popisují vztah mezi tepelnou energií neboli teplem a jinými formami energie a jak energie ovlivňuje hmotu. První zákon termodynamiky říká, že energii nelze vytvořit ani zničit; celkové množství energie ve vesmíru zůstává nezměněno. Druhý termodynamický zákon se týká kvality energie. Uvádí, že jak se energie přenáší nebo přeměňuje, ztrácí se stále více využitelné energie. Druhý zákon také říká, že existuje přirozená tendence k tomu, aby se každý izolovaný systém stal neuspořádanějším.

I když na určitém místě vzroste pořádek, když vezmete v úvahu celý systém včetně prostředí, vždy dojde ke zvýšení entropie. V dalším příkladu se mohou krystaly tvořit ze solného roztoku, když se odpařuje voda. Krystaly jsou uspořádanější než molekuly soli v roztoku; odpařená voda je však mnohem neuspořádanější než voda kapalná. Tento proces jako celek vede k čistému nárůstu nepořádku.

Práce a energie

Druhý zákon vysvětluje, že není možné přeměnit tepelnou energii na mechanickou se 100procentní účinností. Příkladem je auto. Po procesu zahřívání plynu, aby se zvýšil jeho tlak pro pohon pístu, v plynu vždy zbývá nějaké teplo, které nelze využít k provedení žádné další práce. Toto odpadní teplo se musí odvádět jeho předáním do radiátoru. V případě automobilového motoru se to děje odsáváním směsi vyhořelého paliva a vzduchu do atmosféry.

Každé zařízení s pohyblivými částmi navíc vytváří tření, které přeměňuje mechanickou energii na teplo, které je obvykle nevyužitelné a musí být ze systému odstraněno přenosem do radiátoru. Když jsou horké těleso a studené těleso ve vzájemném kontaktu, tepelná energie bude proudit z horkého tělesa do studeného tělesa, dokud nedosáhnou tepelné rovnováhy. Teplo se však nikdy nevrátí jinou cestou; teplotní rozdíl mezi dvěma tělesy se nikdy samovolně nezvětší. Přesun tepla ze studeného tělesa do horkého tělesa vyžaduje práci, kterou musí vykonávat externí zdroj energie, jako je tepelné čerpadlo.

Osud vesmíru

Druhý zákon také předpovídá konec vesmíru. Toto je nejvyšší úroveň nepořádku, pokud je všude konstantní tepelná rovnováha, nelze dělat žádnou práci a veškerá energie skončí jako náhodný pohyb atomů a molekul. Podle moderních údajů je Metagalaxie rozpínající se nestacionární systém a o tepelné smrti Vesmíru nemůže být řeč. Tepelná smrt je stav tepelné rovnováhy, ve kterém se zastaví všechny procesy.

Tato pozice je chybná, protože druhý termodynamický zákon platí pouze pro uzavřené systémy. A vesmír, jak víte, je neomezený. Samotný termín „tepelná smrt Vesmíru“ se však někdy používá k označení scénáře budoucího vývoje Vesmíru, podle kterého se bude dále rozpínat do nekonečna do temnoty vesmíru, až se změní v rozptýlený studený prach.

Základní ustanovení druhého termodynamického zákona

První termodynamický zákon, který je zvláštním případem obecného zákona zachování a přeměny energie, uvádí, že teplo lze přeměnit v práci a práci v teplo, aniž by se stanovily podmínky, za kterých jsou tyto přeměny možné.

Vůbec se nezabývá otázkou směru tepelného procesu a bez znalosti tohoto směru nelze předvídat jeho povahu a výsledky.

První zákon například neřeší otázku, zda bude probíhat přenos tepla z ohřátého tělesa do chladného nebo naopak. Každodenní pozorování a experimenty ukazují, že teplo může samo přecházet pouze z ohřátých těles na chladnější. Přenos tepla z ohřátého tělesa do média bude probíhat až do úplného vyrovnání teploty s okolím. Směr pohybu tepla lze změnit pouze vynaložením práce.

Tato vlastnost tepla ho ostře odlišuje od práce.

Práce, stejně jako všechny ostatní druhy energie zahrnuté v jakémkoli procesu, se snadno a úplně přeměňuje na teplo. Úplnou přeměnu práce v teplo znal člověk již v dávných dobách, kdy rozdělával oheň třením dvou kusů dřeva. Procesy přeměny práce na teplo v přírodě probíhají nepřetržitě: tření, náraz, brzdění atd.

Zcela jinak se teplo chová například v tepelných motorech. K přeměně tepla na práci dochází pouze tehdy, když je teplotní rozdíl mezi zdrojem tepla a chladičem. Veškeré teplo však nelze přeměnit na práci.

Z řečeného vyplývá, že je hluboký rozdíl mezi přeměnou tepla na práci a naopak. Zákon, který umožňuje udávat směr tepelného toku a stanoví maximální možnou hranici pro přeměnu tepla na práci v tepelných strojích, je nový zákon, získané ze zkušeností. Jde o druhý termodynamický zákon, který má obecný význam pro všechny tepelné procesy. Druhý zákon termodynamiky není omezen na technologii; Používá se ve fyzice, chemii, biologii, astronomii atd.

V roce 1824 Sadi Carnot, francouzský inženýr a vědec, ve své diskusi o hnací síle ohně nastínil podstatu druhého zákona.

V 50. letech minulého století podal Clausius nejobecnější a nejmodernější formulaci druhého termodynamického zákona ve formě následujícího postulátu: Teplo nemůže přecházet ze studeného tělesa na teplejší samovolným procesem (bez kompenzace)". Clausiův postulát by měl být považován za experimentální zákon, získaný z pozorování okolní přírody. Clausiův závěr byl učiněn ve vztahu k oblasti techniky, ale ukázalo se, že správný je i druhý zákon ve vztahu k fyzikálním a chemickým jevům. Clausiův postulát, stejně jako všechny ostatní formulace druhého zákona, vyjadřuje jeden ze základních, nikoli však absolutních přírodních zákonů, protože byl formulován ve vztahu k objektům, které mají v pozemských podmínkách kolem nás konečné rozměry.

Thomson současně s Clausiem v roce 1851 vyslovil další formulaci druhého termodynamického zákona, z níž vyplývá, že ne všechno teplo přijaté z tepelného zdroje může pracovat, ale jen část.

Část tepla musí jít do chladiče.

Pro získání práce je tedy nutné mít zdroj tepla s vysokou teplotou, popř chladič, a nízkoteplotním zdrojem tepla, popř tepelný přijímač. Thomsonův postulát navíc ukazuje, že není možné sestrojit perpetum mobile, který by vytvářel práci pouze s využitím vnitřní energie moří, oceánů a vzduchu. Tuto pozici lze formulovat jako druhý termodynamický zákon: "Realizace perpetum mobile druhého druhu je nemožná." Perpetuum mobile druhého druhu se rozumí takový motor, který je schopen zcela přeměnit na práci veškeré teplo přijaté pouze z jednoho zdroje.

Kromě výše uvedeného existuje několik dalších formulací druhého termodynamického zákona, které v podstatě nezavádějí nic nového, a proto nejsou uvedeny.

Entropie.

Druhý zákon termodynamiky, stejně jako první zákon (zákon zachování energie), byl stanoven empiricky. Poprvé ji formuloval Clausius: „samotné teplo přechází pouze z tělesa s vyšší teplotou na těleso s teplotou nižší a nemůže se samovolně pohybovat opačným směrem“.

Jiná formulace: vše spontánní procesy v přírodě jít s rostoucí entropie. (Entropie- míra náhodnosti, neuspořádanosti systému). Uvažujme systém dvou těles, která jsou v kontaktu s různými teplotami. Teplý se bude pohybovat z tělesa s vyšší teplotou do tělesa s nižší teplotou, dokud se teploty obou těles nevyrovnají. V tomto případě bude určité množství převedeno z jednoho těla do druhého teplo dQ. Ale entropie zatímco první těleso se zmenší o menší množství, než se zvětší u druhého tělesa, které zabírá teplo, protože podle definice je dS=dQ/T (teplota ve jmenovateli!). Tedy v důsledku toho entropie spontánního procesu soustava dvou těles bude větší než součet entropie tyto orgány před zahájením procesu. Jinými slovy, spontánní proces přenos tepla z tělesa s vysokou teplotou na těleso s nižší teplotou entropie systém těchto dvou těles se zvětšil!

Nejdůležitější vlastnosti entropie uzavřených systémů:

a) Entropie uzavřeného systému provádějícího reverzibilní Carnotův cyklus se nemění:

ΔS arr = 0, S = konst.

b) Entropie uzavřeného systému provádějícího nevratný Carnotův cyklus se zvyšuje:

∆S unmod >0.

c) Entropie uzavřeného systému neklesá pro žádné procesy v něm probíhající: ΔS≥0.

Při elementární změně stavu uzavřeného systému entropie neklesá: dS≥0. Rovnítko se vztahuje k vratným procesům a znaménko nerovnosti k nevratným. Bod c) je jednou z formulací druhého zákona (počátek) termodynamiky. Pro libovolný proces probíhající v termodynamickém systému platí vztah:

kde T je teplota tělesa, které hlásí. Energie termodynamického systému δQ v procesu nekonečně malé změny stavu systému. Pomocí prvního termodynamického zákona pro δQ lze předchozí nerovnost přepsat do tvaru kombinujícího první a druhý termodynamický zákon: TdS ≥ dU+δA.

Vlastnosti entropie.

1. Entropie je tedy stavová funkce. Pokud je proces prováděn podél adiabatů, pak se entropie systému nemění. Adiabati jsou tedy také isentropy. Každý „vyšší“ umístěný adiabat (izoentrop) odpovídá větší hodnotě entropie. Je snadné to ověřit provedením izotermického procesu mezi body 1 a 2 ležícími na různých adiabatech (*viz obr.). V tomto procesu T=konst, takže S2-S1=Q/T. Pro ideální plyn se Q rovná práci A, kterou systém vykoná. A protože A>0, znamená to S 2 > S 1. Tedy vědět, jak vypadá adiabatický systém. Na otázku o nárůstu entropie při jakémkoli pro nás zajímavém procesu mezi rovnovážnými stavy 1 a 2 lze snadno odpovědět. Entropie je aditivní veličina: entropie makrosystému je rovna součtu entropií jeho jednotlivých částí.

3. Jednou z nejdůležitějších vlastností entropie je, že entropie uzavřeného (tj. tepelně izolovaného) makrosystému neklesá – buď roste, nebo zůstává konstantní. Pokud systém není uzavřený, jeho entropie se může zvyšovat i snižovat.

Princip rostoucí entropie uzavřených systémů je další formulací druhého termodynamického zákona. Velikost nárůstu entropie v uzavřeném makrosystému může sloužit jako míra nevratnosti procesů probíhajících v systému. V limitujícím případě, kdy jsou procesy vratné, se entropie uzavřeného makrosystému nemění.

Rozdíl ΔS entropie ve dvou stavech systému má fyzikální význam. Chcete-li určit změnu entropie v případě nevratného přechodu systému z jednoho stavu do druhého, musíte přijít s nějakým druhem reverzibilního procesu, který spojuje počáteční a konečný stav, a najít redukované teplo přijaté systémem. při takovém přechodu.

Rýže. 3.12.4 - Nevratný proces expanze plynu "do prázdna" bez výměny tepla

Pouze počáteční a koncové stavy plynu jsou v tomto procesu v rovnováze a lze je znázornit na diagramu (p, V). Body (a) a (b) odpovídající těmto stavům leží na stejné izotermě. Pro výpočet změny entropie ΔS lze uvažovat reverzibilní izotermický přechod z (a) do (b). Protože plyn při izotermické expanzi přijímá určité množství tepla od okolních těles Q > 0, můžeme usoudit, že entropie se při nevratné expanzi plynu zvýšila: ΔS > 0.

Dalším příkladem nevratného procesu je přenos tepla při konečném rozdílu teplot. Na Obr. 3.12.5 ukazuje dvě tělesa uzavřená v adiabatickém obalu. Počáteční tělesné teploty T1 a T2< 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.

Růst entropie je společnou vlastností všech spontánních ireverzibilních procesů v izolovaných termodynamických systémech. Při reverzibilních procesech v izolovaných systémech se entropie nemění: ΔS≥0. Tento vztah se nazývá zákon rostoucí entropie. V každém procesu probíhajícím v termodynamicky izolovaných systémech zůstává entropie buď nezměněna, nebo se zvyšuje.

Entropie tedy udává směr spontánních procesů. Nárůst entropie naznačuje, že se systém blíží stavu termodynamické rovnováhy. V rovnovážném stavu nabývá entropie maximální hodnoty. Zákon rostoucí entropie lze brát jako další formulaci druhého termodynamického zákona.

V roce 1878 podal L. Boltzmann pravděpodobnostní výklad pojmu entropie. Navrhl zvážit entropii jako míru statistické poruchy v uzavřeném termodynamickém systému. Všechny spontánní procesy v uzavřeném systému, přibližující systém k rovnovážnému stavu a doprovázené zvýšením entropie, směřují ke zvýšení pravděpodobnosti stavu.

Jakýkoli stav makroskopického systému obsahujícího velké množství částic lze realizovat mnoha způsoby. Termodynamická pravděpodobnost W stavu systému je počet způsobů, kterými lze daný stav makroskopického systému realizovat, nebo počet mikrostavů realizujících daný makrostav. Podle definice je termodynamická pravděpodobnost W >> 1.

Pokud je například v nádobě 1 mol plynu, pak je možné obrovské množství N způsobů umístění molekuly do dvou polovin nádoby: kde je Avogadrovo číslo. Každý z nich je mikrostav.

Pouze jeden z mikrostavů odpovídá případu, kdy jsou všechny molekuly shromážděny v jedné polovině (například pravé) nádoby. Pravděpodobnost takové události je prakticky nulová. Největší počet mikrostavů odpovídá rovnovážnému stavu, ve kterém jsou molekuly rovnoměrně rozmístěny po celém objemu. Proto je nejpravděpodobnější rovnovážný stav. Na druhé straně je rovnovážný stav stavem největší neuspořádanosti v termodynamickém systému a stavem s maximální entropií.

Entropie S systému a termodynamická pravděpodobnost W spolu podle Boltzmanna souvisí následovně: S=klnW, kde k = 1,38·10 –23 J/K je Boltzmannova konstanta. Entropie je tedy určena logaritmem počtu mikrostavů, se kterými lze daný makrostav realizovat. Proto lze entropii považovat za míru pravděpodobnosti stavu termodynamického systému. Pravděpodobnostní interpretace druhého termodynamického zákona umožňuje samovolnou odchylku systému od stavu termodynamické rovnováhy. Takové odchylky se nazývají fluktuace. V systémech obsahujících velké množství částic jsou výrazné odchylky od rovnovážného stavu krajně nepravděpodobné.

Kruhové termodynamické procesy nebo cykly

Ve výše zvažovaných termodynamických procesech studovat otázky získávání práce buď v důsledku dodaného tepla, nebo v důsledku změny vnitřní energie pracovní tekutiny, nebo současně v důsledku obou. S jedinou expanzí plynu ve válci lze získat pouze omezené množství práce. V každém procesu plynu rhenia ve válci skutečně nastane okamžik, kdy se teplota a tlak pracovní tekutiny vyrovnají teplotě a tlaku prostředí, a tam se práce zastaví.

Proto je pro opětovné získání práce nutné vrátit pracovní těleso do původního stavu během procesu komprese.

Z obrázku 8 vyplývá, že pokud pracovní tekutina expanduje podél křivky 1-3-2, pak vytváří práci znázorněnou na pv-diagramu pl. 13245. Po dosažení bodu 2 se musí pracovní kapalina vrátit do původního stavu (v bodě 1), aby mohla znovu vykonávat práci. Proces návratu těla do původního stavu lze provést třemi způsoby.

Obrázek 8 - Kruhové procesy.

1. Křivka komprese 2-3-1 je stejná jako křivka expanze 1-3-2. V takovém procesu je veškerá práce získaná během expanze (pl. 13245) rovna práci stlačení (pl. 23154) a kladná práce je rovna nule. Kompresní křivka 2-6-1 je nad linií expanze 1-3-2; .zároveň je vynaloženo více práce na kompresi (parcela 51624), než bude přijata při expanzi (graf 51324).

Kompresní křivka-2-7-1 se nachází pod expanzní linií 1-3-2. V tomto kruhovém procesu bude práce expanze (čtverec 51324) větší než práce komprese (čtverec 51724). Výsledkem bude pozitivní práce navenek, reprezentovaná čtvercem. 13271 uvnitř uzavřené linie kruhového procesu nebo cyklu.

Opakováním cyklu neomezeným počtem opakování lze získat libovolné množství práce díky vstupnímu teplu.

Cyklus, který produkuje pozitivní práci, se nazývá přímý cyklus nebo cyklus tepelného motoru; v něm je práce expanze větší než práce komprese. Cyklus, který spotřebovává práci, se nazývá zvrátit, v něm je práce stlačení větší než práce expanze. Chladicí jednotky pracují v obrácených cyklech.

Cykly jsou vratné a nevratné. Cyklus skládající se z rovnovážných vratných procesů se nazývá reverzibilní. Pracovní tekutina v takovém cyklu by neměla být vystavena chemickým změnám.

Pokud je alespoň jeden z procesů zahrnutých v cyklu nevratný, pak bude celý cyklus nevratný nevratné.

Výsledky studií ideálních cyklů je možné přenést do skutečných, nevratných procesů skutečných strojů zavedením experimentálních korekčních faktorů.

Tepelná účinnost a koeficient výkonu cyklů

Studium jakéhokoli reverzibilního cyklu dokazuje, že pro realizaci je nutné v každém bodě přímého procesu dodávat teplo z tepelných zářičů do pracovní kapaliny při nekonečně malém rozdílu teplot a odvádět teplo z pracovní kapaliny také do chladičů při nekonečně malém rozdílu teplot. V tomto případě se teplota dvou sousedních zdrojů tepla musí lišit o nekonečně malou hodnotu, protože jinak budou procesy přenosu tepla při konečném rozdílu teplot nevratné:

Na dráze 1-3-2 (obrázek 8) vykonává pracovní tekutina specifickou práci expanze, která se číselně rovná čtverci. 513245, kvůli specifickému množství tepla přijatého z tepelných zářičů a částečně kvůli jeho vnitřní energii. Na cestě 2-7-1 je vynaložena specifická práce komprese, číselně rovna čtverci. 427154, jehož část ve formě specifického množství tepla je odváděna do chladičů a druhá část je vynaložena na zvýšení vnitřní energie pracovní tekutiny do výchozího stavu. V důsledku implementace přímého cyklu bude navenek dána pozitivní specifická práce, která se rovná rozdílu mezi prací expanze a kontrakce. Tato práce .

Poměr mezi měrným množstvím tepla a kladnou měrnou prací je určen prvním zákonem termodynamiky.

Protože v cyklu se konečný stav těla shoduje s počátečním stavem, vnitřní energie pracovního těla se nemění a proto

Poměr měrného množství tepla přeměněného na kladnou měrnou práci v jednom cyklu k celému měrnému množství tepla dodaného pracovní tekutině se nazývá t tepelná účinnost přímé

cyklus:

Hodnota je ukazatelem dokonalosti cyklu tepelného motoru. Čím více, tím větší část dodaného tepla se přemění na užitečnou práci. Hodnota tepelné účinnosti cyklus je vždy menší než jedna a může se rovnat jedné if nebo , což nelze provést.

Výsledná rovnice (62) ukazuje, že je nemožné zcela přeměnit veškeré teplo dodané pracovní tekutině v cyklu na práci, aniž by bylo odvedeno určité množství tepla do chladiče.

Jako správná se tedy ukázala hlavní Carnotova myšlenka, totiž: v uzavřeném kruhovém procesu se teplo může proměnit v mechanickou práci pouze tehdy, existuje-li teplotní rozdíl mezi tepelnými zářiči a chladiči. Čím větší je tento rozdíl, tím vyšší je účinnost. cyklus tepelného motoru.

Uvažujme nyní zpětný cyklus, který běží proti směru hodinových ručiček a je znázorněn na pv-diagramu pl. 13261. Expanze pracovní tekutiny v tomto cyklu probíhá při nižší teplotě než komprese a práce expanze (pl. 132451) je menší než práce komprese (pl. 162451). Takový cyklus lze provést pouze s vynaložením externí práce.

V opačném cyklu je teplo dodáváno z chladičů do pracovní tekutiny a je vynaložena specifická práce, která se mění na stejné množství tepla, které se společně přenáší do chladičů:

Bez vynaložení samotné práce je takový přechod nemožný.

Stupeň dokonalosti zpětného cyklu je určen tkzv faktor cyklu.

Koeficient výkonu ukazuje, kolik tepla se odebere z chladiče na úkor jedné jednotky práce. Jeho hodnota je obvykle větší než jedna.

Carnotovy cykly.

Přímý reverzibilní Carnotův cyklus

Reverzibilní cyklus prováděný mezi dvěma zdroji tepla o konstantní teplotě se musí skládat ze dvou vratných izotermických a dvou vratných adiabatických procesů.

Poprvé se tímto cyklem zabýval Sadi Carnot ve své práci „Úvahy o hnací síle ohně a o strojích schopných tuto sílu vyvinout“, publikované v roce 1824. Pro lepší pochopení postupu realizace tohoto cyklu si představte tepelný motor, jehož válec může být podle potřeby jak absolutně tepelně vodivý, tak i absolutně nevodivý. Nechte v první poloze pístu počáteční parametry pracovní tekutiny a teplotu rovny teplotě teplosměnného zařízení. Pokud je v tomto okamžiku válec absolutně tepelně vodivý a pokud se dostane do kontaktu s chladičem s nekonečně velkou energetickou kapacitou, předávající teplo pracovní kapalině podle izotermy 1-2, pak plyn expanduje do bodu 2 a dělat práci. Parametry bodu 2: Od bodu 2 musí být válec absolutně netepelný. Práci vykoná pracovní tekutina o teplotě T 1 , expandující podél adiabatického 2-3 na teplotu chladiče T 2 . Parametry bodu 3: . Od bodu 3 uděláme válec absolutně tepelně vodivý. Stlačováním pracovní tekutiny podél izotermy 3-4 současně odvádíme teplo do chladiče. Na konci izotermické komprese budou parametry pracovní tekutiny . Z bodu 4 v absolutně tepelně nevodivém válci se pracovní tekutina vrací do původního stavu procesem adiabatické komprese 4-1.

Po celý cyklus tak bylo pracovní tekutině předáváno teplo z chladiče a teplo bylo odváděno do chladiče.

Tepelná účinnost cyklus

Teplo dodávané izotermou 1-2 se určuje takto:

Absolutní hodnota odebraného tepla podle izotermy 3-4 se zjistí takto:

Dosazením nalezených hodnot do rovnice pro tepelnou účinnost získáme

Pro adiabatický proces expanze a kontrakce, resp

A

Proto rovnice tepelné účinnosti Carnotův cyklus po zrušení má formu

Tepelná účinnost reverzibilní Carnotův cyklus závisí pouze na absolutních teplotách chladiče a chladiče. Bude tím větší, čím vyšší bude teplota chladiče a čím nižší bude teplota chladiče. Tepelná účinnost Carnotův cyklus je vždy menší než jedna, protože pro dosažení účinnosti rovné jedné je nutné, aby T 2 = 0 nebo T 1 = ∞, což není proveditelné. Tepelná účinnost Carnotův cyklus nezávisí na povaze pracovní tekutiny a při T 2 -T 1 je roven nule, to znamená, že pokud jsou tělesa v tepelné rovnováze, pak není možné přeměnit teplo na práci.

Tepelná účinnost Carnotův cyklus je nejdůležitější
ve srovnání s účinností jakýkoli cyklus prováděný v jednom a
stejný teplotní rozsah. Proto to srovnání
tepelná účinnost jakýkoli cyklus a Carnotův cyklus vám to umožní
závěr o míře dokonalosti využití tepla ve stroji pracujícím podle daného cyklu.

U skutečných motorů se Carnotův cyklus z praktických důvodů nevyskytuje
potíže. Teoretický i praktický význam Carnotova cyklu je však velmi velký. Slouží jako měřítko při hodnocení excelence všech cyklů tepelných motorů. .

Reverzibilní Carnotův cyklus, prováděný v teplotním rozsahu Ti a T2, je znázorněn na Ts-diagramu obdélníkem 1234 (obrázek 9).

Obrázek 9 - Reverzibilní Carnotův cyklus.

Reverzní reverzibilní Carnotův cyklus

Carnotův cyklus může probíhat nejen vpřed, ale i v opačném směru. Obrázek 10 ukazuje obrácený Carnotův cyklus. Cyklus se skládá z reverzibilních procesů a je obecně reverzibilní.

Obrázek 10 - Reverzní Carnotův cyklus.

Pracovní tekutina z výchozího bodu 1 expanduje podél adiabatické 1-4 bez výměny tepla s okolím, zatímco teplota Ti je předávána T2. Následuje další expanze plynu podél izotermy 4-3 s dodávkou tepla, které je odebíráno ze zdroje s nízkou teplotou T 2. Následuje adiabatická komprese 3-2 s rostoucí teplotou z T 2 na T 1 . Během posledně uvedeného procesu dochází k 2-1 izotermické kompresi, během které je teplo odváděno do chladiče při vysoké teplotě.

Vezmeme-li v úvahu reverzní cyklus jako celek, lze poznamenat, že vynaložená vnější práce komprese je větší než práce expanze o hodnotu pl. 14321 uvnitř linky uzavřeného cyklu. Tato práce se přemění na teplo a spolu s teplem se předá zdroji o teplotě T 1 . Po vynaložení konkrétní práce na implementaci zpětného cyklu je tedy možné přenést z chladiče do chladiče

jednotky tepla. V tomto případě se teplo přijaté chladičem rovná

Stroj, který pracuje v reverzním cyklu, se nazývá chladicí stroj. Uvážíme-li inverzní Carnotův cyklus, můžeme dojít k závěru, že přenos tepla ze zdroje s nízkou teplotou do zdroje s vysokou teplotou, jak vyplývá z Clausiova postulátu, nutně vyžaduje energii (nelze jej provést volným procesem bez kompenzace).

Charakteristickým znakem účinnosti chladicích strojů je koeficient výkonu

pro reverzní Carnotův cyklus

Koeficient výkonu reverzního Carnotova cyklu závisí na absolutních teplotách a zdrojích tepla a má nejvyšší hodnotu ve srovnání s koeficientem výkonu jiných cyklů vyskytujících se ve stejném teplotním rozsahu.

Po zvážení přímého a reverzního Carnotova cyklu je možné poměrně podrobně vysvětlit formulaci druhého termodynamického zákona daného Clausiem.

Clausius ukázal, že všechny přirozené procesy probíhající v přírodě jsou spontánní procesy (někdy se jim říká pozitivní (nebo nekompenzované procesy) a nemohou „samo od sebe“ bez kompenzace toku v opačném směru).

Mezi spontánní procesy patří: přenos tepla z více zahřátého tělesa na méně zahřáté; přeměna práce v teplo; vzájemná difúze kapalin nebo plynů; expanze plynu do prázdna atd.

Nespontánní procesy zahrnují procesy, které jsou opačné k výše uvedeným spontánním procesům: přenos tepla z méně zahřátého tělesa na více zahřáté; přeměna tepla na práci; dělení na složky látek v sobě difundujících atd. Procesy nejsou spontánní, ale nikdy neprobíhají „sami“ bez náhrady.

Jaké procesy musí doprovázet nespontánní procesy, aby byly možné? Pečlivé a komplexní studium fyzikálních jevů, které nás obklopují, ukázalo, že nespontánní procesy jsou možné pouze tehdy, jsou-li doprovázeny spontánními procesy. V důsledku toho může spontánní proces nastat „sám od sebe“, nikoli spontánní – pouze společně se spontánním. Proto např. při jakémkoli přímém kruhovém procesu je nespontánní proces přeměny tepla na práci kompenzován současným samovolným procesem předávání části dodaného tepla z chladiče do chladiče. .

Při realizaci reverzního cyklu je možný i nesamovolný proces předávání tepla z méně zahřátého tělesa na více zahřáté, zde je však kompenzován samovolným procesem přeměny práce vynaložené zvenčí na teplo.

Jakýkoli nespontánní proces tedy může nastat pouze tehdy, je-li doprovázen kompenzujícím spontánním procesem.

Carnotova věta

Při odvozování tepelné účinnosti. reverzibilní Carnotův cyklus, byly použity vztahy, které platí pouze pro ideální plyn. Proto, aby bylo možné rozšířit vše, co bylo řečeno o Carnotově cyklu na jakékoli skutečné plyny a páry, je nutné prokázat tepelnou účinnost. Carnotův cyklus nezávisí na vlastnostech látky, se kterou se cyklus provádí. Toto je obsah Carnotovy věty.

Teplo. Práce vynaložená

Stejného výsledku dosáhneme, pokud předpokládáme, že . Zbývá tedy jedna možná varianta, kdy , což znamená, že a , tedy skutečně tepelná účinnost. reverzibilní Carnotův cyklus nezávisí na vlastnostech pracovní tekutiny a je pouze funkcí teplot chladiče a chladiče.

Přednáška č. 6. Předmět a úkoly teorie přenosu tepla

Podle druhého termodynamického zákona dochází vlivem teplotního rozdílu k samovolnému procesu přenosu tepla v prostoru a směřuje k klesající teplotě. Zákony přenosu tepla a kvantitativní charakteristiky tohoto procesu jsou předmětem a úkolem studia teorie výměna tepla (přenos tepla).

Nauka o přenosu tepla je studium procesů přenosu tepla. Jejich charakteristickým rysem je jejich všestrannost, protože mají velký význam téměř ve všech odvětvích techniky.

Tepelná energie se přenáší, jako každá jiná energie, ve směru od nejvyššího potenciálu k nejnižšímu. Protože potenciálem tepelné energie je teplota, pak proces šíření tepla úzce souvisí s rozložením teplot, tedy s tzv. teplotním polem. teplotní pole je soubor teplotních hodnot v prostoru a čase. Obecně teplota t v libovolném bodě prostoru je funkcí souřadnic x, y, z a čas τ a rovnice teplotního pole tedy bude

t = f(x, y, z, τ). (65)

Pole, ve kterém se teplota mění s časem, se nazývá přechodné, popř nestacionární. Pokud se teplota s časem nemění, pak se pole nazývá ustálený stav, popř stacionární a jeho rovnice bude

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

Nejjednodušším případem teplotního pole je stacionární jednorozměrné pole, jehož rovnice má tvar

t = f(x). (67)

Přenos tepla, ke kterému dochází v nestacionárním teplotním poli, se nazývá přenos tepla v nestacionárním režimu a ve stacionárním poli přenos tepla v ustáleném stavu.

Proces přenosu tepla je komplexní proces skládající se ze tří základních typů přenosu tepla - tepelné vodivosti, konvekce a tepelného záření (sálání) (obrázek 12).

A - tepelná vodivost; b - konvekce; a - záření

Obrázek 12 - Druhy přenosu tepla

Druhý zákon termodynamiky- jeden ze základních fyzikálních zákonů, zákon neklesající entropie v izolované soustavě. Omezuje množství užitečné práce, kterou může tepelný motor vykonat. Na základní úrovni druhý termodynamický zákon určuje směr procesů ve fyzikálním systému – od řádu k nepořádku. Existuje mnoho různých formulací druhého termodynamického zákona, které jsou obecně navzájem ekvivalentní.

1. Formulace

2. Alternativní formulace

Výše uvedené znění je velmi formální. Existuje mnoho alternativních formulací druhého termodynamického zákona. Například Planck navrhl tuto formulaci:

Není možné postavit stroj, který by bez přičinění cykloval, chladil zdroj tepla nebo zvedal břemena beze změny Příroda.

Není možné přeměnit teplo na práci bez provedení jiné činnosti než chlazení systému.

Příroda má tendenci přecházet od stavů s nižší pravděpodobností realizace do stavů s vyšší pravděpodobností realizace.

Je nemožné vytvořit perpetum mobile 2. druhu

Spontánní přenos tepla z méně zahřátého do více zahřátého je nemožný

Tam, kde je teplotní rozdíl, se dá pracovat

Běžné jsou následující výrazy:

Je nemožné postavit perpetum mobile druhého druhu.

Není možné přenést teplo ze studeného tělesa na horké bez vynaložení energie.

Každý systém má tendenci přejít od řádu k nepořádku.

3. Historické pozadí

Druhý termodynamický zákon byl formulován v polovině 19. století, v době, kdy se vytvářely teoretické základy pro návrh a konstrukci tepelných strojů. Experimenty Mayera a Joule prokázaly ekvivalenci mezi tepelnou a mechanickou energií (první zákon termodynamiky). Vyvstala otázka ohledně účinnosti tepelných motorů. Experimentální studie ukázaly, že část tepla se nutně ztrácí během provozu jakéhokoli stroje.

V 50. a 60. letech 19. století Clausius v řadě publikací rozvinul koncept entropie. V roce 1865 konečně zvolil název pro nový koncept. Tyto publikace také dokázaly, že teplo nelze zcela přeměnit na užitečnou práci, a tak formulovaly druhý termodynamický zákon.

Boltzmann podal statistickou interpretaci druhého termodynamického zákona zavedením nové definice entropie, která byla založena na mikroskopických atomistických konceptech.

4. Statistická interpretace

Ze statistické definice entropie je zřejmé, že nárůst entropie odpovídá přechodu do takového makroskopického stavu, který se vyznačuje nejvyšší hodnotou mikroskopických stavů.

5. Šipka času

Je-li počáteční stav termodynamického systému nerovnovážný, pak postupem času přechází do rovnovážného stavu a zvyšuje jeho entropii. Tento proces probíhá pouze jedním směrem. Reverzní proces - přechod z rovnovážného stavu do výchozího nerovnovážného stavu, není realizován. To znamená, že plynutí času dostává směr.

Fyzikální zákony, které popisují mikroskopický svět, jsou při změně t na -t neměnné. Toto tvrzení platí jak pro zákony klasické mechaniky, tak pro zákony kvantové mechaniky. V mikroskopickém světě působí konzervativní síly, nedochází k tření, což je rozptyl energie, tzn. přeměna jiných druhů energie na energii tepelného pohybu, a to je zase spojeno se zákonem neklesající entropie.

Představte si například plyn v nádrži umístěné ve velké nádrži. Pokud otevřete ventil méně než zásobník, tak po chvíli plyn naplní větší zásobník tak, že se jeho hustota vyrovná. Podle zákonitostí mikroskopického světa existuje i zpětný proces, kdy se plyn z většího zásobníku shromažďuje v menším zásobníku. Ale v makroskopickém světě se to nikdy nestane.

6. Smrt teplem

Pokud se entropie každého izolovaného systému s časem pouze zvyšuje a vesmír je izolovaným systémem, pak jednoho dne entropie dosáhne maxima, po kterém budou jakékoli změny v něm nemožné.

Takové uvažování, které se objevilo po instalaci druhého zákona termodynamiky, se nazývá tepelná smrt. Tato hypotéza byla široce diskutována v 19. století.

Každý proces na světě vede k disipaci části energie a její přeměně v teplo, k dalším a dalším nepořádkům. Náš vesmír je samozřejmě ještě docela mladý. Termonukleární procesy ve hvězdách způsobující například neustálý tok energie k Zemi. Země je a ještě dlouho zůstane otevřeným systémem, který přijímá energii z různých zdrojů: ze Slunce, z procesů radioaktivního rozpadu v jádře atd. V otevřených systémech může entropie klesat, což vede ke vzniku tzv. různé uspořádané struktury.

Jednoduchá formulace prvního termodynamického zákona může znít asi takto: změna vnitřní energie systému je možná pouze pod vnějším vlivem. Jinými slovy, aby došlo k nějakým změnám v systému, je nutné vyvinout určité úsilí zvenčí. V lidové moudrosti mohou přísloví sloužit jako druh vyjádření prvního termodynamického zákona - „voda neteče pod ležícím kamenem“, „rybu z rybníka snadno nevytáhnete“ a tak dále. To znamená, že na příkladu přísloví o rybách a práci si lze představit, že ryba je náš podmíněně uzavřený systém, bez našeho vnějšího vlivu a účasti v něm nenastanou žádné změny (ryba se sama nevytáhne z rybníka). (práce).

Zajímavý fakt: je to první termodynamický zákon, který stanoví, proč všechny četné pokusy vědců, výzkumníků, vynálezců vynalézt „stroj na věčný pohyb“ selhaly, protože jeho existence je podle tohoto zákona absolutně nemožná, proč, viz. odstavec výše.

Na začátku našeho článku byla maximálně jednoduchá definice prvního termodynamického zákona, ve skutečnosti v akademické vědě existují až čtyři formulace podstaty tohoto zákona:

• Energie se odnikud neobjevuje a nikam nemizí, pouze přechází z jedné formy do druhé (zákon zachování energie).
• Množství tepla přijatého systémem se využívá k výkonu jeho práce proti vnějším silám a ke změně vnitřní energie.
• Změna vnitřní energie systému při jeho přechodu z jednoho stavu do druhého je rovna součtu práce vnějších sil a množství tepla přeneseného do systému a nezávisí na způsobu, jakým je tento přechod realizován. odneseno.
• Změna vnitřní energie neizolovaného termodynamického systému se rovná rozdílu mezi množstvím tepla přeneseného do systému a prací, kterou systém vykonal na vnější síly.

Vzorec prvního zákona termodynamiky

Vzorec pro první zákon termodynamiky lze napsat takto:

Množství tepla Q předané soustavě se rovná součtu změny její vnitřní energie ΔU a práce A.

Procesy prvního zákona termodynamiky

Také první termodynamický zákon má své vlastní nuance v závislosti na probíhajících termodynamických procesech, které mohou být izochronní a izobarické, a níže podrobně popíšeme každý z nich.

První termodynamický zákon pro izochorický děj

Izochorický proces v termodynamice je proces, který se vyskytuje při konstantním objemu. To znamená, že pokud ohříváte látku v nádobě, ať už v plynu nebo kapalině, dojde k izochorickému procesu, protože objem látky zůstane nezměněn. Tento stav má vliv i na první termodynamický zákon, který probíhá při izochorickém ději.

V izochorickém ději je objem V konstanta, proto plyn nepracuje A = 0

Z toho plyne následující vzorec:

Q = ΔU = U (T2) - U (T1).

Zde U (T1) a U (T2) jsou vnitřní energie plynu v počátečním a konečném stavu. Vnitřní energie ideálního plynu závisí pouze na teplotě (Jouleův zákon). Při izochorickém ohřevu je teplo absorbováno plynem (Q > 0) a jeho vnitřní energie se zvyšuje. Během chlazení se teplo přenáší do vnějších těles (Q< 0).

První termodynamický zákon pro izobarický děj

Podobně isobarický proces je termodynamický proces, který se vyskytuje v systému při konstantním tlaku a hmotnosti plynu. Proto v izobarickém procesu (p = konst) je práce vykonaná plynem vyjádřena následující rovnicí prvního zákona termodynamiky:

A = p (V2 - V1) = p ∆V.

Izobarický první zákon termodynamiky říká:

Q \u003d U (T2) - U (T1) + p (V2 - V1) \u003d ΔU + p ΔV. Při izobarické expanzi Q > 0 je teplo absorbováno plynem a plyn koná kladnou práci. Při izobarické kompresi Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Aplikace prvního zákona termodynamiky

První termodynamický zákon má praktickou aplikaci na různé procesy ve fyzice, například umožňuje vypočítat ideální parametry plynu v různých tepelných a mechanických procesech. Kromě ryze praktické aplikace lze tento zákon využít i filozoficky, protože cokoli říkáte, první termodynamický zákon je vyjádřením jednoho z nejobecnějších přírodních zákonů – zákona zachování energie. I Kazatel napsal, že se nic odnikud neobjevuje a nikam neodchází, vše zůstává navždy, neustále se proměňuje, a to je celá podstata prvního termodynamického zákona.

Video první zákon termodynamiky

A na konci našeho článku je vaší pozorností vzdělávací video o prvním zákonu termodynamiky a vnitřní energie.