Según una de las formulaciones de la segunda ley de la termodinámica. Segunda ley de la termodinámica

Procesos espontáneos (espontáneos) descrito por las siguientes características:

1. Todos los procesos espontáneos naturales proceden en una dirección, es decir, tienen una dirección de un solo sentido. Por ejemplo, el calor de un cuerpo caliente pasa a uno frío; los gases tienden a ocupar el mayor volumen.

2. Parte de la energía se convierte en calor, es decir, el sistema pasa de un estado ordenado a un estado con movimiento térmico aleatorio de partículas.

3. Los procesos espontáneos pueden usarse para producir trabajo útil. A medida que avanza la transformación, el sistema pierde su capacidad para realizar trabajo. En el estado final de equilibrio, tiene la menor cantidad de energía.

4. El sistema no puede volver a su estado original sin realizar ningún cambio en sí mismo o en el entorno. Todos los procesos espontáneos son termodinámicamente irreversibles.

5. En un proceso espontáneo, el estado inicial es menos probable frente a cada estado sucesivo y el menos probable frente al final.

Procesos no espontáneos proceder a costa del trabajo; en este caso, el sistema se aleja del estado de equilibrio (por ejemplo, compresión de gas, electrólisis).

Segunda ley de la termodinámica es un postulado. Tiene carácter estadístico y es aplicable a sistemas de un gran número de partículas.

La segunda ley de la termodinámica tiene las siguientes formulaciones:

1. El calor no puede transferirse espontáneamente de un cuerpo menos caliente a uno más caliente.

2. Un proceso es imposible, cuyo único resultado es la conversión de calor en trabajo.

3. Una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible. El calor del más frío de los cuerpos que intervienen en el proceso no puede servir como fuente de trabajo.

Expresión analítica de la segunda ley de la termodinámica y su justificación mediante el ciclo de Carnot. La esencia de la expresión de la segunda ley de la termodinámica es la conexión entre la espontaneidad del proceso y el aumento de la entropía. Esta expresión se deriva de la consideración de la cuestión de la completitud teórica de la transformación del calor en trabajo en un Carnot reversible. ciclo.

El ciclo consta de cuatro procesos:

AB- expansión isotérmica debido al calor Q1, conectado al gas a una temperatura T 1;

Sol- expansión adiabática;

Dakota del Sur- compresión isotérmica a temperatura T 2, en este proceso el gas pierde calor Q2;

SÍ- compresión adiabática al estado inicial.

El calor absorbido (o liberado) durante la expansión (o compresión) isotérmica de un mol de un gas ideal es igual al trabajo

Con expansión adiabática (o contracción)

La aplicación de estas ecuaciones a los procesos del ciclo correspondiente conduce a una expresión para la eficiencia termodinámica (eficiencia): . (4.3)

La ecuación (4.3) es una expresión matemática de la segunda ley de la termodinámica.

Porque T1‹ T2, después η < uno.

Según la teoría de Carnot, la sustitución de un gas ideal por cualquier otra sustancia no producirá un cambio en la eficiencia. El ciclo de Carnot. Reemplazar el ciclo de Carnot con cualquier otro ciclo conducirá a una menor eficiencia. (el teorema de Clasius-Carnot). Así, incluso en el caso de una máquina térmica ideal convirtiendo el calor en trabajo no puede ser completo.

La expresión de la segunda ley de la termodinámica nos permite introducir el concepto de entropía, con cuya ayuda se revela la esencia de la ley en una forma conveniente y general.

Cambiemos la expresión (4.3):

sobre el . (4.4)

La relación se llama calor reducido. La ecuación (4.4) muestra que la suma algebraica de los calores reducidos durante el ciclo reversible de Carnot es cero.

Para un ciclo de Carnot reversible infinitesimal

donde es el calor reducido elemental.

Cualquier ciclo puede ser reemplazado por un conjunto de ciclos de Carnot infinitamente pequeños: .

En el límite, esta cantidad se convertirá en.

En la teoría de integrales se demuestra que si la integral sobre un contorno cerrado es igual a cero, entonces el integrando es la diferencial total de alguna función de los parámetros que determinan el estado del sistema.

dónde S- esto es entropía, tal función del estado del sistema, cuyo diferencial total en un proceso reversible es igual a la relación de una cantidad infinitesimal de calor a temperatura.

El concepto de "entropía" fue introducido por Clausius (1850) . Esta expresión es una expresión matemática de la segunda ley de la termodinámica para procesos reversibles.

El cambio de entropía en un proceso reversible es igual al cambio de entropía en un proceso irreversible, es decir . Comparemos los calores de procesos reversibles e irreversibles. Según la primera ley de la termodinámica . Energía interna tu es una función del estado del sistema, por lo que . El trabajo máximo se realiza en un proceso reversible, por lo que

En general, para procesos reversibles e irreversibles. La segunda ley de la termodinámica tiene la siguiente expresión matemática:

Aquí dS = constante, y solo cambia el lado derecho de la ecuación, es decir el valor del valor calorífico. Unidades de entropía: [ S] = J/mol K.

La ecuación combinada de la primera y segunda ley de la termodinámica:

Cálculo del cambio de entropía de un gas ideal.

Expresamos el cambio en la energía interna.

Dividiendo la ecuación (4.6) por T, definimos el cambio de entropía:

(4.7)

De la ecuación de los gases ideales: se sigue que . Entonces, después de sustituir esta relación en (4.7):

(4.8)

Integramos la expresión (4.8) como y obtenemos ecuación para calcular el cambio de entropía de un gas ideal:

(4.9)

Proceso isotérmico, : , (4.10)

desde entonces . (4.11)

Proceso isocórico, : . (4.12)

Proceso isobárico, : . (4.13)

Proceso adiabático, : . (4.14)

postulado de planck tiene la siguiente formulación: en el cero absoluto, la entropía de los cristales formados correctamente de sustancias puras es igual a cero. El postulado hace posible calcular el valor absoluto de la entropía si se conocen los calores de las transiciones de fase y si se conocen las capacidades caloríficas de una sustancia en varios estados agregados.

¿Cómo se genera la energía, cómo se convierte de una forma a otra y qué sucede con la energía en un sistema cerrado? Todas estas preguntas pueden ser respondidas por las leyes de la termodinámica. La segunda ley de la termodinámica se discutirá con más detalle hoy.

Leyes en la vida cotidiana.

Las leyes gobiernan la vida diaria. Las leyes viales dicen que debe detenerse en las señales de alto. El gobierno exige dar parte de su salario al estado y al gobierno federal. Incluso los científicos son aplicables a la vida cotidiana. Por ejemplo, la ley de la gravedad predice un resultado bastante pobre para aquellos que intentan volar. Otro conjunto de leyes científicas que afectan la vida cotidiana son las leyes de la termodinámica. Por lo tanto, se pueden dar una serie de ejemplos para ver cómo afectan la vida cotidiana.

Primera ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye, pero se puede transformar de una forma a otra. Esto también se conoce a veces como la ley de conservación de la energía. Entonces, ¿cómo se aplica esto a la vida cotidiana? Bueno, tome, por ejemplo, la computadora que está usando ahora. Se alimenta de energía, pero ¿de dónde viene esta energía? La primera ley de la termodinámica nos dice que esta energía no podía provenir del aire, por lo que vino de alguna parte.

Puedes rastrear esta energía. La computadora funciona con electricidad, pero ¿de dónde viene la electricidad? Así es, de una central eléctrica o central hidroeléctrica. Si consideramos el segundo, entonces estará asociado con una presa que retiene el río. El río tiene una conexión con la energía cinética, lo que significa que el río está fluyendo. La presa convierte esta energía cinética en energía potencial.

¿Cómo funciona una central hidroeléctrica? El agua se utiliza para hacer girar la turbina. Cuando la turbina gira, se pone en marcha un generador que generará electricidad. Esta electricidad se puede ejecutar completamente en cables desde la planta de energía hasta su hogar, de modo que cuando conecte el cable de alimentación a un tomacorriente, la electricidad ingresará a su computadora para que pueda funcionar.

¿Que pasó aquí? Ya había una cierta cantidad de energía asociada con el agua del río como energía cinética. Luego se convirtió en energía potencial. Luego, la represa tomó esa energía potencial y la convirtió en electricidad, que luego podría ingresar a su hogar y alimentar su computadora.

Segunda ley de la termodinámica

Al estudiar esta ley, uno puede entender cómo funciona la energía y por qué todo se mueve hacia un posible caos y desorden. La segunda ley de la termodinámica también se llama la ley de la entropía. ¿Alguna vez te has preguntado cómo surgió el universo? Según la teoría del Big Bang, antes de que todo naciera, se reunió una gran cantidad de energía. El Universo apareció después del Big Bang. Todo esto es bueno, pero ¿qué tipo de energía era? Al principio de los tiempos, toda la energía del universo estaba contenida en un lugar relativamente pequeño. Esta intensa concentración representaba una enorme cantidad de lo que se llama energía potencial. Con el tiempo, se extendió por la vasta extensión de nuestro Universo.

En una escala mucho menor, el depósito de agua retenido por la represa contiene energía potencial, ya que su ubicación le permite fluir a través de la represa. En cada caso, la energía almacenada, una vez liberada, se esparce y lo hace sin ningún esfuerzo. En otras palabras, la liberación de energía potencial es un proceso espontáneo que ocurre sin necesidad de recursos adicionales. A medida que se distribuye la energía, parte de ella se convierte en energía útil y realiza algún trabajo. El resto se convierte en inutilizable, simplemente llamado calor.

A medida que el universo continúa expandiéndose, contiene cada vez menos energía utilizable. Si hay menos útiles disponibles, se puede hacer menos trabajo. Dado que el agua fluye a través de la presa, también contiene menos energía útil. Esta disminución de la energía utilizable con el tiempo se llama entropía, donde la entropía es la cantidad de energía no utilizada en un sistema, y ​​un sistema es simplemente la colección de objetos que forman un todo.

La entropía también se puede denominar como la cantidad de aleatoriedad o caos en una organización sin organización. A medida que la energía utilizable disminuye con el tiempo, aumenta la desorganización y el caos. Así, a medida que se libera la energía potencial acumulada, no toda esta se convierte en energía útil. Todos los sistemas experimentan este aumento de entropía con el tiempo. Esto es muy importante de entender, y este fenómeno se llama la segunda ley de la termodinámica.

Entropía: Aleatoriedad o Defecto

Como habrás adivinado, la segunda ley sigue a la primera, que comúnmente se conoce como la ley de conservación de la energía, y establece que la energía no se puede crear ni destruir. En otras palabras, la cantidad de energía en el universo o cualquier sistema es constante. La segunda ley de la termodinámica se conoce comúnmente como la ley de la entropía y sostiene que a medida que pasa el tiempo, la energía se vuelve menos útil y su calidad disminuye con el tiempo. La entropía es el grado de aleatoriedad o defectos que tiene un sistema. Si el sistema está muy desordenado, entonces tiene una gran entropía. Si hay muchas fallas en el sistema, entonces la entropía es baja.

En términos simples, la segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema no puede disminuir con el tiempo. Esto significa que en la naturaleza las cosas pasan de un estado de orden a un estado de desorden. Y es irreversible. El sistema nunca será más ordenado por sí solo. En otras palabras, en la naturaleza, la entropía de un sistema siempre aumenta. Una forma de pensar en ello es su hogar. Si nunca lo limpia y aspira, muy pronto tendrá un desastre terrible. ¡La entropía ha aumentado! Para reducirlo, es necesario usar energía para usar una aspiradora y un trapeador para limpiar la superficie del polvo. La casa no se limpia sola.

¿Qué es la segunda ley de la termodinámica? La formulación en palabras simples dice que cuando la energía cambia de una forma a otra, la materia se mueve libremente o aumenta la entropía (desorden) en un sistema cerrado. Las diferencias de temperatura, presión y densidad tienden a nivelarse horizontalmente con el tiempo. Debido a la gravedad, la densidad y la presión no se igualan verticalmente. La densidad y la presión en la parte inferior serán mayores que en la parte superior. La entropía es una medida de la dispersión de la materia y la energía dondequiera que tenga acceso. La formulación más común de la segunda ley de la termodinámica se asocia principalmente con Rudolf Clausius, quien dijo:

Es imposible construir un dispositivo que no produzca otro efecto que la transferencia de calor de un cuerpo de menor temperatura a otro de mayor temperatura.

En otras palabras, todo trata de mantener la misma temperatura a lo largo del tiempo. Hay muchas formulaciones de la segunda ley de la termodinámica que usan diferentes términos, pero todos significan lo mismo. Otra declaración de Clausius:

El calor mismo no procede de un cuerpo más frío a uno más caliente.

La segunda ley se aplica sólo a sistemas grandes. Se refiere al comportamiento probable de un sistema en el que no hay energía ni materia. Cuanto más grande es el sistema, más probable es la segunda ley.

Otra redacción de la ley:

La entropía total siempre aumenta en un proceso espontáneo.

El aumento de entropía ΔS durante el curso del proceso debe exceder o ser igual a la relación entre la cantidad de calor Q transferida al sistema y la temperatura T a la que se transfiere el calor.

Sistema termodinámico

En un sentido general, la formulación de la segunda ley de la termodinámica en términos simples establece que las diferencias de temperatura entre sistemas en contacto entre sí tienden a igualarse y que se puede obtener trabajo a partir de estas diferencias de desequilibrio. Pero en este caso, hay una pérdida de energía térmica y aumenta la entropía. Las diferencias en presión, densidad y temperatura tienden a igualarse si se les da la oportunidad; la densidad y la presión, pero no la temperatura, dependen de la gravedad. Una máquina térmica es un dispositivo mecánico que proporciona trabajo útil debido a la diferencia de temperatura entre dos cuerpos.

Un sistema termodinámico es aquel que interactúa e intercambia energía con el área que lo rodea. El intercambio y la transferencia deben ocurrir al menos de dos maneras. Una forma debería ser la transferencia de calor. Si un sistema termodinámico está "en equilibrio", no puede cambiar su estado o estado sin interactuar con su entorno. En pocas palabras, si está en equilibrio, es un "sistema feliz", no hay nada que pueda hacer. Si quieres hacer algo, debes interactuar con el mundo exterior.

La segunda ley de la termodinámica: la irreversibilidad de los procesos

Es imposible tener un proceso cíclico (repetitivo) que convierta completamente el calor en trabajo. También es imposible tener un proceso que transfiera calor de objetos fríos a objetos calientes sin usar trabajo. Parte de la energía en una reacción siempre se pierde en forma de calor. Además, el sistema no puede convertir toda su energía en energía de trabajo. La segunda parte de la ley es más obvia.

Un cuerpo frío no puede calentar un cuerpo caliente. El calor tiende naturalmente a fluir de las áreas más cálidas a las más frías. Si el calor va de más frío a más cálido, es contrario a lo que es "natural", por lo que el sistema tiene que trabajar para que esto suceda. en la naturaleza - la segunda ley de la termodinámica. Esta es quizás la ley más famosa (al menos entre los científicos) e importante de toda la ciencia. Una de sus declaraciones:

La entropía del universo tiende a un máximo.

En otras palabras, la entropía permanece igual o aumenta, la entropía del universo nunca puede disminuir. El problema es que esto siempre es cierto. Si toma una botella de perfume y la rocía en una habitación, pronto los átomos fragantes llenarán todo el espacio, y este proceso es irreversible.

Relaciones en termodinámica

Las leyes de la termodinámica describen la relación entre la energía térmica o el calor y otras formas de energía, y cómo la energía afecta la materia. La primera ley de la termodinámica establece que la energía no se crea ni se destruye; la cantidad total de energía en el universo permanece sin cambios. La segunda ley de la termodinámica trata sobre la calidad de la energía. Establece que a medida que la energía se transfiere o convierte, se pierde más y más energía utilizable. La segunda ley también establece que existe una tendencia natural en cualquier sistema aislado a volverse más desordenado.

Incluso cuando el orden aumenta en un lugar determinado, cuando se tiene en cuenta todo el sistema, incluido el entorno, siempre hay un aumento de la entropía. En otro ejemplo, se pueden formar cristales a partir de una solución salina cuando se evapora el agua. Los cristales están más ordenados que las moléculas de sal en solución; sin embargo, el agua evaporada está mucho más desordenada que el agua líquida. El proceso, tomado en su conjunto, da como resultado un aumento neto del desorden.

trabajo y energia

La segunda ley explica que es imposible convertir la energía térmica en energía mecánica con una eficiencia del 100 por ciento. Un ejemplo es un coche. Después del proceso de calentamiento del gas para aumentar su presión para impulsar el pistón, siempre queda algo de calor en el gas que no se puede usar para realizar ningún trabajo adicional. Este calor residual debe desecharse transfiriéndolo a un radiador. En el caso de un motor de automóvil, esto se hace extrayendo la mezcla de combustible gastado y aire a la atmósfera.

Además, cualquier dispositivo con partes móviles crea una fricción que convierte la energía mecánica en calor, que generalmente es inutilizable y debe eliminarse del sistema transfiriéndolo a un radiador. Cuando un cuerpo caliente y un cuerpo frío están en contacto entre sí, la energía térmica fluirá del cuerpo caliente al cuerpo frío hasta que alcancen el equilibrio térmico. Sin embargo, el calor nunca volverá por el otro lado; la diferencia de temperatura entre dos cuerpos nunca aumentará espontáneamente. Mover el calor de un cuerpo frío a un cuerpo caliente requiere que una fuente de energía externa, como una bomba de calor, realice trabajo.

El destino del universo

La segunda ley también predice el fin del universo. Este es el último nivel de desorden, si hay un equilibrio térmico constante en todas partes, no se puede realizar ningún trabajo y toda la energía terminará como un movimiento aleatorio de átomos y moléculas. Según los datos modernos, la Metagalaxia es un sistema no estacionario en expansión, y no se puede hablar de la muerte térmica del Universo. La muerte térmica es un estado de equilibrio térmico en el que cesan todos los procesos.

Esta posición es errónea, ya que la segunda ley de la termodinámica se aplica solo a sistemas cerrados. Y el universo, como saben, es ilimitado. Sin embargo, el mismo término "muerte térmica del Universo" a veces se usa para denotar un escenario para el desarrollo futuro del Universo, según el cual continuará expandiéndose hasta el infinito en la oscuridad del espacio hasta que se convierta en polvo frío disperso.

Disposiciones básicas de la segunda ley de la termodinámica.

La primera ley de la termodinámica, siendo un caso especial de la ley general de conservación y transformación de la energía, establece que el calor puede convertirse en trabajo y el trabajo en calor, sin establecer las condiciones bajo las cuales estas transformaciones son posibles.

No considera en absoluto la cuestión de la dirección del proceso térmico, y sin conocer esta dirección, es imposible predecir su naturaleza y resultados.

Por ejemplo, la primera ley no resuelve la cuestión de si se producirá la transferencia de calor de un cuerpo calentado a uno frío o viceversa. Las observaciones y los experimentos cotidianos muestran que el calor puede transferirse por sí mismo solo de los cuerpos calientes a los más fríos. La transferencia de calor de un cuerpo calentado al medio ocurrirá hasta el completo equilibrio de temperatura con el ambiente. Sólo a través del gasto de trabajo se puede cambiar la dirección del movimiento del calor.

Esta propiedad del calor lo distingue claramente del trabajo.

El trabajo, como todos los demás tipos de energía involucrados en cualquier proceso, se convierte fácil y completamente en calor. La conversión completa del trabajo en calor fue conocida por el hombre en la antigüedad, cuando hizo fuego frotando dos trozos de madera. Los procesos de conversión de trabajo en calor ocurren continuamente en la naturaleza: fricción, impacto, frenado, etc.

El calor se comporta de manera bastante diferente, por ejemplo, en los motores térmicos. La transformación de calor en trabajo ocurre solo cuando hay una diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el disipador de calor. Sin embargo, todo el calor no se puede convertir en trabajo.

De lo dicho se sigue que hay una profunda diferencia entre la conversión del calor en trabajo y viceversa. La ley que permite indicar la dirección del flujo de calor y establece el límite máximo posible para la conversión de calor en trabajo en los motores térmicos es una nueva ley, obtenido de la experiencia. Esta es la segunda ley de la termodinámica, que es de importancia general para todos los procesos térmicos. La segunda ley de la termodinámica no se limita a la tecnología; Se utiliza en física, química, biología, astronomía, etc.

En 1824, Sadi Carnot, un ingeniero y científico francés, en su discusión sobre la fuerza impulsora del fuego, esbozó la esencia de la segunda ley.

En los años 50 del siglo pasado, Clausius dio la formulación más general y moderna de la segunda ley de la termodinámica en forma del siguiente postulado: El calor no puede transferirse de un cuerpo frío a uno más caliente por sí mismo mediante un proceso libre (sin compensación)". El postulado de Clausius debe ser considerado como una ley experimental, obtenida a partir de observaciones de la naturaleza circundante. La conclusión de Clausius se hizo en relación con el campo de la tecnología, pero resultó que la segunda ley en relación con los fenómenos físicos y químicos también es correcta. El postulado de Clausius, como todas las demás formulaciones de la segunda ley, expresa una de las leyes básicas, pero no absolutas, de la naturaleza, ya que fue formulado en relación con objetos que tienen dimensiones finitas en las condiciones terrenales que nos rodean.

Simultáneamente con Clausius en 1851, Thomson presentó otra formulación de la segunda ley de la termodinámica, de la cual se deduce que no todo el calor recibido de la fuente de calor puede convertirse en trabajo, sino solo una parte.

Parte del calor debe ir al disipador de calor.

Por lo tanto, para obtener trabajo, es necesario tener una fuente de calor con una temperatura alta, o disipador de calor, y una fuente de calor de baja temperatura, o receptor de calor. Además, el postulado de Thomson muestra que no es posible construir una máquina de movimiento perpetuo que cree trabajo usando solo la energía interna de los mares, océanos y aire. Esta posición puede formularse como la segunda ley de la termodinámica: "La implementación de una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible". Por una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo se entiende un motor que es capaz de convertir completamente en trabajo todo el calor recibido de una sola fuente.

Además de lo anterior, hay varias formulaciones más de la segunda ley de la termodinámica que, en esencia, no introducen nada nuevo y, por lo tanto, no se dan.

Entropía.

La Segunda Ley de la Termodinámica, al igual que la Primera Ley (la Ley de Conservación de la Energía), se ha establecido empíricamente. Clausius lo formuló por primera vez: "el calor en sí mismo pasa solo de un cuerpo con una temperatura más alta a un cuerpo con una temperatura más baja y no puede moverse espontáneamente en la dirección opuesta".

Otra redacción: todos procesos espontáneos en la naturaleza ir con el aumento entropía. (entropía- una medida de aleatoriedad, desorden del sistema). Considere un sistema de dos cuerpos en contacto con diferentes temperaturas. Cálido se moverá de un cuerpo con una temperatura más alta a un cuerpo con una temperatura más baja hasta que las temperaturas de ambos cuerpos sean iguales. En este caso, se transferirá una determinada cantidad de un organismo a otro calor dQ. Pero entropía al mismo tiempo, el primer cuerpo disminuirá en una cantidad menor de lo que aumentará para el segundo cuerpo, lo que toma calor, ya que, por definición, dS=dQ/T (¡temperatura en el denominador!). Es decir, como resultado de este entropía del proceso espontáneo sistema de dos cuerpos será mayor que la suma entropía estos órganos antes del inicio del proceso. En otras palabras, proceso espontáneo transferencia de calor de un cuerpo con temperatura alta a otro cuerpo con temperatura mas baja entropía sistema de estos dos cuerpos se ha incrementado!

Las propiedades más importantes de la entropía de los sistemas cerrados:

a) La entropía de un sistema cerrado que realiza un ciclo de Carnot reversible no cambia:

∆S arr =0, S=const.

b) La entropía de un sistema cerrado que realiza un ciclo de Carnot irreversible aumenta:

∆S no mod >0.

c) La entropía de un sistema cerrado no disminuye para ningún proceso que ocurra en él: ΔS≥0.

Con un cambio elemental en el estado de un sistema cerrado, la entropía no disminuye: dS≥0. El signo igual se refiere a procesos reversibles y el signo de desigualdad a procesos irreversibles. El punto c) es una de las formulaciones de la segunda ley (principio) de la termodinámica. Para un proceso arbitrario que ocurre en un sistema termodinámico, la relación es verdadera:

donde T es la temperatura del cuerpo que informa. Energía termodinámica del sistema δQ en el proceso de un cambio infinitesimal en el estado del sistema. Usando la primera ley de la termodinámica para δQ, la desigualdad anterior se puede reescribir combinando la primera y la segunda ley de la termodinámica: TdS ≥ dU+δA.

Propiedades de entropía.

1. Entonces, la entropía es una función de estado. Si el proceso se lleva a cabo a lo largo de las adiabáticas, entonces la entropía del sistema no cambia. Así que las adiabáticas también son isentropas. Cada adiabática (isoentropía) ubicada "más alta" corresponde a un valor mayor de entropía. Esto es fácil de comprobar realizando un proceso isotérmico entre los puntos 1 y 2 situados en diferentes adiabáticas (*ver Fig.). En este proceso, T=const, entonces S2-S1=Q/T. Para un gas ideal, Q es igual al trabajo A realizado por el sistema. Y como A>0, significa S 2 >S 1. Por lo tanto, saber cómo es el sistema adiabático. Es fácil responder a la pregunta sobre el aumento de la entropía durante cualquier proceso que nos interese entre los estados de equilibrio 1 y 2. La entropía es una cantidad aditiva: la entropía de un macrosistema es igual a la suma de las entropías de sus partes individuales.

3. Una de las propiedades más importantes de la entropía es que la entropía de un macrosistema cerrado (es decir, aislado térmicamente) no disminuye, sino que aumenta o permanece constante. Si el sistema no está cerrado, entonces su entropía puede aumentar y disminuir.

El principio de entropía creciente de los sistemas cerrados es otra formulación de la segunda ley de la termodinámica. La magnitud del aumento de entropía en un macrosistema cerrado puede servir como medida de la irreversibilidad de los procesos que ocurren en el sistema. En el caso límite, cuando los procesos son reversibles, la entropía de un macrosistema cerrado no cambia.

La diferencia ΔS de la entropía en dos estados del sistema tiene un significado físico. Para determinar el cambio de entropía en el caso de una transición irreversible del sistema de un estado a otro, debe idear algún tipo de proceso reversible que conecte los estados inicial y final, y encontrar el calor reducido recibido por el sistema. durante tal transición.

Arroz. 3.12.4 - Proceso irreversible de expansión del gas "al vacío" en ausencia de intercambio de calor

Solo los estados inicial y final del gas en este proceso están en equilibrio y se pueden representar en el diagrama (p, V). Los puntos (a) y (b) correspondientes a estos estados se encuentran en la misma isoterma. Para calcular el cambio de entropía ΔS, se puede considerar una transición isotérmica reversible de (a) a (b). Dado que, durante la expansión isotérmica, el gas recibe una cierta cantidad de calor de los cuerpos circundantes Q > 0, podemos concluir que la entropía aumentó durante la expansión irreversible del gas: ΔS > 0.

Otro ejemplo de un proceso irreversible es la transferencia de calor a una diferencia de temperatura finita. En la fig. 3.12.5 muestra dos cuerpos encerrados en una capa adiabática. Temperaturas corporales iniciales T 1 y 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.

El crecimiento de entropía es una propiedad común de todos los procesos irreversibles espontáneos en sistemas termodinámicos aislados. Con procesos reversibles en sistemas aislados, la entropía no cambia: ΔS≥0. Esta relación se llama ley de entropía creciente. En cualquier proceso que ocurra en sistemas termodinámicos aislados, la entropía permanece sin cambios o aumenta.

Así, la entropía indica la dirección de los procesos espontáneos. Un aumento en la entropía indica que el sistema se acerca a un estado de equilibrio termodinámico. En el estado de equilibrio, la entropía toma un valor máximo. La ley de la entropía creciente puede tomarse como otra formulación de la segunda ley de la termodinámica.

En 1878, L. Boltzmann dio una interpretación probabilística del concepto de entropía. Propuso considerar la entropía como una medida del desorden estadístico en un sistema termodinámico cerrado. Todos los procesos espontáneos en un sistema cerrado, que acercan al sistema al estado de equilibrio y van acompañados de un aumento de la entropía, están dirigidos a aumentar la probabilidad del estado.

Cualquier estado de un sistema macroscópico que contenga una gran cantidad de partículas se puede realizar de muchas maneras. La probabilidad termodinámica W de un estado del sistema es el número de formas en que se puede realizar un estado dado de un sistema macroscópico, o el número de microestados que realizan un macroestado dado. Por definición, la probabilidad termodinámica es W >> 1.

Por ejemplo, si hay 1 mol de gas en un recipiente, entonces es posible un gran número N de formas de colocar una molécula en dos mitades del recipiente: donde es el número de Avogadro. Cada uno de ellos es un microestado.

Solo uno de los microestados corresponde al caso en que todas las moléculas se acumulan en la mitad (por ejemplo, la derecha) del recipiente. La probabilidad de tal evento es prácticamente cero. El mayor número de microestados corresponde al estado de equilibrio, en el que las moléculas se distribuyen uniformemente por todo el volumen. Por lo tanto, el estado de equilibrio es el más probable. Por otro lado, el estado de equilibrio es el estado de mayor desorden en el sistema termodinámico y el estado de máxima entropía.

Según Boltzmann, la entropía S del sistema y la probabilidad termodinámica W están relacionadas de la siguiente manera: S=klnW, donde k = 1,38·10 –23 J/K es la constante de Boltzmann. Así, la entropía está determinada por el logaritmo del número de microestados con los que se puede realizar un macroestado dado. Por tanto, la entropía puede considerarse como una medida de la probabilidad del estado de un sistema termodinámico. La interpretación probabilística de la segunda ley de la termodinámica permite una desviación espontánea del sistema del estado de equilibrio termodinámico. Tales desviaciones se llaman fluctuaciones. En sistemas que contienen una gran cantidad de partículas, las desviaciones significativas del estado de equilibrio son extremadamente improbables.

Procesos o ciclos termodinámicos circulares

En los procesos termodinámicos considerados anteriormente, estudiar las cuestiones de obtención de trabajo ya sea como resultado del calor suministrado, o como resultado de un cambio en la energía interna del fluido de trabajo, o simultáneamente como resultado de ambos. Con una sola expansión del gas en el cilindro, solo se puede obtener una cantidad limitada de trabajo. De hecho, en cualquier proceso de gas renio en el cilindro, aún llegará un momento en que la temperatura y la presión del fluido de trabajo sean iguales a la temperatura y la presión del medio ambiente, y el trabajo se detendrá allí.

Por lo tanto, para volver a obtener trabajo, es necesario devolver el cuerpo de trabajo a su estado original durante el proceso de compresión.

De la Figura 8 se deduce que si el fluido de trabajo se expande a lo largo de la curva 1-3-2, entonces produce el trabajo representado en el diagrama pv pl. 13245. Al llegar al punto 2, el fluido de trabajo debe volver a su estado inicial (en el punto 1) para que pueda volver a realizar trabajo. El proceso de devolver el cuerpo a su estado inicial puede llevarse a cabo de tres formas.

Figura 8 - Procesos circulares.

1. La curva de compresión 2-3-1 es la misma que la curva de expansión 1-3-2. En tal proceso, todo el trabajo obtenido durante la expansión (pl. 13245) es igual al trabajo de compresión (pl. 23154) y el trabajo positivo es igual a cero. La curva de compresión 2-6-1 está por encima de la línea de expansión 1-3-2; Al mismo tiempo, se gasta más trabajo en la compresión (parcela 51624) del que se recibirá durante la expansión (parcela 51324).

La curva de compresión-2-7-1 se encuentra debajo de la línea de expansión 1-3-2. En este proceso circular, el trabajo de expansión (cuadrado 51324) será mayor que el trabajo de compresión (cuadrado 51724). Como resultado, se dará trabajo positivo hacia el exterior, representado por un cuadrado. 13271 dentro de una línea cerrada de un proceso circular o ciclo.

Al repetir el ciclo un número ilimitado de veces, se puede obtener cualquier cantidad de trabajo debido al calor de entrada.

El ciclo que produce trabajo positivo se llama ciclo directo o ciclo de motor térmico; en él, el trabajo de dilatación es mayor que el de compresión. El ciclo que consume trabajo se llama reverso, en él el trabajo de compresión es mayor que el de expansión. Las unidades de refrigeración funcionan en ciclos inversos.

Los ciclos son reversibles e irreversibles. Un ciclo que consta de procesos reversibles en equilibrio se llama reversible. El fluido de trabajo en dicho ciclo no debe estar sujeto a cambios químicos.

Si al menos uno de los procesos incluidos en el ciclo es irreversible, entonces todo el ciclo será irreversible.

Los resultados de los estudios de ciclos ideales se pueden transferir a procesos irreversibles reales de máquinas reales mediante la introducción de factores de corrección experimentales.

Eficiencia térmica y coeficiente de rendimiento de los ciclos

El estudio de cualquier ciclo reversible demuestra que para la implementación es necesario en cada punto del proceso directo suministrar calor desde los emisores de calor al fluido de trabajo a una diferencia de temperatura infinitamente pequeña y quitar calor del fluido de trabajo a los disipadores de calor también. a una diferencia de temperatura infinitamente pequeña. En este caso, la temperatura de dos fuentes de calor adyacentes debe diferir en un valor infinitesimal, ya que de lo contrario, con una diferencia de temperatura finita, los procesos de transferencia de calor serán irreversibles:

En el camino 1-3-2 (Figura 8), el fluido de trabajo realiza un trabajo específico de expansión, numéricamente igual al cuadrado. 513245, debido a la cantidad específica de calor recibido de los emisores de calor, y en parte debido a su energía interna. En el camino 2-7-1 se gasta trabajo específico de compresión, numéricamente igual al cuadrado. 427154, parte del cual en forma de una cantidad específica de calor se elimina a los disipadores de calor, y la otra parte se gasta en aumentar la energía interna del fluido de trabajo al estado inicial. Como resultado de la implementación del ciclo directo, se dará un trabajo específico positivo hacia el exterior, igual a la diferencia entre el trabajo de expansión y contracción. Este trabajo .

La relación entre las cantidades específicas de calor y el trabajo específico positivo está determinada por la primera ley de la termodinámica.

Dado que en el ciclo el estado final del cuerpo coincide con el estado inicial, la energía interna del cuerpo de trabajo no cambia y por lo tanto

La relación entre la cantidad específica de calor convertida en trabajo específico positivo en un ciclo y la cantidad específica total de calor suministrada al fluido de trabajo se llama t eficiencia térmica de directo

ciclo:

El valor es una indicación de la perfección del ciclo del motor térmico. Cuanto más, la mayor parte del calor suministrado se convierte en trabajo útil. Valor de eficiencia térmica ciclo siempre es menor que uno y podría ser igual a uno si o , lo cual no se puede hacer.

La ecuación resultante (62) muestra que es imposible convertir completamente en trabajo todo el calor suministrado al fluido de trabajo en el ciclo sin retirar una cierta cantidad de calor al disipador de calor.

Por lo tanto, la idea principal de Carnot resultó ser correcta, a saber: en un proceso circular cerrado, el calor puede convertirse en trabajo mecánico solo si existe una diferencia de temperatura entre los emisores de calor y los disipadores de calor. Cuanto mayor sea esta diferencia, mayor será la eficiencia. ciclo del motor térmico.

Considere ahora el ciclo inverso, que corre en dirección contraria a las manecillas del reloj y se representa en el diagrama pv pl. 13261. La expansión del fluido de trabajo en este ciclo tiene lugar a una temperatura más baja que la compresión, y el trabajo de expansión (lám. 132451) es menor que el trabajo de compresión (lám. 162451). Tal ciclo solo puede llevarse a cabo con el gasto de trabajo externo.

En el ciclo inverso, el calor se suministra desde los disipadores de calor al fluido de trabajo y se gasta trabajo específico, convirtiéndose en una cantidad igual de calor, que se transfieren juntos a los disipadores de calor:

Sin el gasto de trabajo en sí mismo, tal transición es imposible.

El grado de perfección del ciclo inverso está determinado por el llamado factor de ciclo.

El coeficiente de rendimiento muestra cuánto calor se quita del disipador de calor a expensas de una unidad de trabajo. Su valor suele ser mayor que uno.

Ciclos de Carnot.

Ciclo de Carnot directo reversible

Un ciclo reversible realizado entre dos fuentes de calor a temperatura constante debe constar de dos procesos isotérmicos reversibles y dos adiabáticos reversibles.

Este ciclo fue considerado por primera vez por Sadi Carnot en su obra “Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas capaces de desarrollar esta fuerza”, publicada en 1824. Para una mejor comprensión del procedimiento para implementar este ciclo, imagine una máquina térmica, cuyo cilindro puede ser, según se necesite, tanto absolutamente térmicamente conductor como absolutamente no térmicamente conductor. Deje que en la primera posición del pistón los parámetros iniciales del fluido de trabajo y la temperatura sean iguales a la temperatura del dispositivo de transferencia de calor. Si en este momento el cilindro es absolutamente térmicamente conductor y si se pone en contacto con un disipador de calor de capacidad energética infinitamente grande, impartiendo calor al fluido de trabajo de acuerdo con la isoterma 1-2, entonces el gas se expandirá hasta el punto 2 y hacer trabajo. Parámetros del punto 2: A partir del punto 2 el cilindro debe ser absolutamente atérmico. El fluido de trabajo con temperatura T 1 , expandiéndose a lo largo de la adiabática 2-3 hasta la temperatura del disipador de calor T 2 , hará el trabajo. Parámetros del punto 3: . Desde el punto 3 hacemos que el cilindro sea absolutamente termoconductor. Al comprimir el fluido de trabajo a lo largo de la isoterma 3-4, simultáneamente eliminamos calor al disipador de calor. Al final de la compresión isotérmica, los parámetros del fluido de trabajo serán . Desde el punto 4 en un cilindro absolutamente no conductor térmico, el fluido de trabajo vuelve a su estado original por el proceso de compresión adiabática 4-1.

Así, durante todo el ciclo, se transmitió calor al fluido de trabajo desde el disipador de calor y se extrajo calor al disipador de calor.

Eficiencia térmica ciclo

El calor suministrado por la isoterma 1-2 se determina de la siguiente manera:

El valor absoluto del calor eliminado según la isoterma 3-4 se encuentra de la siguiente manera:

Sustituyendo los valores encontrados y en la ecuación de la eficiencia térmica, obtenemos

Para el proceso adiabático de expansión y contracción, respectivamente, tenemos

y

Por lo tanto, la ecuación de eficiencia térmica El ciclo de Carnot después de la cancelación toma la forma

Eficiencia térmica El ciclo reversible de Carnot depende solo de las temperaturas absolutas del disipador de calor y del disipador de calor. Será mayor cuanto mayor sea la temperatura del disipador de calor y menor la temperatura del disipador de calor. Eficiencia térmica el ciclo de Carnot es siempre menor que uno, ya que para obtener una eficiencia igual a uno, es necesario que T 2 =0 o T 1 = ∞, lo cual no es factible. Eficiencia térmica el ciclo de Carnot no depende de la naturaleza del fluido de trabajo y en T 2 -T 1 es igual a cero, es decir, si los cuerpos están en equilibrio térmico, entonces es imposible convertir el calor en trabajo.

Eficiencia térmica El ciclo de Carnot es el más importante.
en comparación con la eficiencia cualquier ciclo realizado en uno y
el mismo rango de temperatura. Por lo tanto la comparación
eficiencia térmica cualquier ciclo y el ciclo de Carnot te permite hacer
una conclusión sobre el grado de perfección del uso del calor en una máquina que funciona según un ciclo dado.

En motores reales, el ciclo de Carnot no ocurre debido a prácticas
dificultades. Sin embargo, la importancia teórica y práctica del ciclo de Carnot es muy grande. Sirve como punto de referencia para evaluar la excelencia de cualquier ciclo de motor térmico. .

El ciclo de Carnot reversible, llevado a cabo en el intervalo de temperatura T 1 y T 2 , se representa en el diagrama Ts mediante un rectángulo 1234 (Figura 9).

Figura 9 - Ciclo de Carnot reversible.

Ciclo de Carnot reversible inverso

El ciclo de Carnot puede proceder no solo hacia adelante sino también en la dirección opuesta. La figura 10 muestra el ciclo de Carnot inverso. El ciclo consta de procesos reversibles y generalmente es reversible.

Figura 10 - Ciclo de Carnot inverso.

El fluido de trabajo del punto de partida 1 se expande a lo largo del adiabático 1-4 sin intercambio de calor con el medio ambiente, mientras que la temperatura T 1 se emite a T 2 . A esto le sigue una mayor expansión del gas a lo largo de la isoterma 4-3 con el suministro de calor, que se toma de la fuente con una temperatura T 2 baja. Esto es seguido por una compresión adiabática 3-2 con temperatura creciente de T 2 a T 1 . Durante este último proceso, tiene lugar una compresión isotérmica 2-1, durante la cual se extrae calor al disipador de calor a alta temperatura.

Considerando el ciclo inverso como un todo, se puede notar que el trabajo externo de compresión gastado es mayor que el trabajo de expansión por el valor de pl. 14321 dentro de una línea de ciclo cerrado. Este trabajo se convierte en calor y se transfiere junto con el calor a una fuente con temperatura T 1 . Por lo tanto, después de haber dedicado un trabajo específico a la implementación del ciclo inverso, es posible transferir del disipador de calor al disipador de calor.

unidades de calor En este caso, el calor recibido por el disipador de calor es igual a

Una máquina que funciona en un ciclo inverso se llama máquina de refrigeración. Considerando el ciclo inverso de Carnot, podemos concluir que la transferencia de calor de una fuente de baja temperatura a una fuente de alta temperatura, como se desprende del postulado de Clausius, requiere necesariamente energía (no puede realizarse mediante un proceso libre sin compensación).

Una característica de la eficiencia de las máquinas de refrigeración es el coeficiente de rendimiento.

para el ciclo de Carnot inverso

El coeficiente de rendimiento del ciclo de Carnot inverso depende de las temperaturas absolutas y las fuentes de calor y tiene el valor más alto en comparación con el coeficiente de rendimiento de otros ciclos que ocurren dentro del mismo rango de temperatura.

Después de considerar los ciclos directo e inverso de Carnot, es posible explicar con cierto detalle la formulación de la segunda ley de la termodinámica dada por Clausius.

Clausius demostró que todos los procesos naturales que ocurren en la naturaleza son procesos espontáneos (a veces se les llama procesos positivos (o no compensados) y no pueden "por sí mismos" sin compensación por el flujo en la dirección opuesta.

Los procesos espontáneos incluyen: la transferencia de calor de un cuerpo más caliente a uno menos caliente; la conversión de trabajo en calor; difusión mutua de líquidos o gases; expansión de gas en un vacío, etc.

Los procesos no espontáneos incluyen procesos que son opuestos a los procesos espontáneos anteriores: la transferencia de calor de un cuerpo menos calentado a uno más calentado; convertir el calor en trabajo; división en partes componentes de sustancias que se difunden entre sí, etc. Los procesos no son espontáneos, pero nunca proceden "por sí mismos" sin compensación.

¿Qué procesos deben acompañar a los procesos no espontáneos para hacerlos posibles? Un estudio cuidadoso y exhaustivo de los fenómenos físicos que nos rodean ha demostrado que los procesos no espontáneos solo son posibles cuando van acompañados de procesos espontáneos. En consecuencia, un proceso espontáneo puede ocurrir "por sí mismo", no espontáneo, solo junto con uno espontáneo. Por lo tanto, por ejemplo, en cualquier proceso circular directo, el proceso no espontáneo de convertir el calor en trabajo se compensa con el proceso espontáneo simultáneo de transferir parte del calor suministrado del disipador de calor al disipador de calor. .

Al implementar el ciclo inverso, también es posible un proceso no espontáneo de transferencia de calor de un cuerpo menos calentado a uno más calentado, pero aquí se compensa con un proceso espontáneo de convertir el trabajo gastado desde el exterior en calor.

Por lo tanto, cualquier proceso no espontáneo solo puede ocurrir cuando va acompañado de un proceso espontáneo compensador.

teorema de carnot

Al derivar la eficiencia térmica. ciclo de Carnot reversible, se utilizaron relaciones que son válidas sólo para un gas ideal. Por lo tanto, para poder extender todo lo dicho sobre el ciclo de Carnot a cualquier gas y vapor real, es necesario demostrar que la eficiencia térmica. El ciclo de Carnot no depende de las propiedades de la sustancia con la que se realiza el ciclo. Este es el contenido del teorema de Carnot.

Calor. trabajo gastado

El mismo resultado se obtiene si suponemos que . Por lo tanto, queda una variante posible, cuando , lo que significa que y , es decir, realmente la eficiencia térmica. El ciclo de Carnot reversible no depende de las propiedades del fluido de trabajo y es solo una función de las temperaturas del disipador de calor y el disipador de calor.

Conferencia No. 6. Tema y tareas de la teoría de la transferencia de calor.

De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, un proceso espontáneo de transferencia de calor en el espacio ocurre bajo la influencia de una diferencia de temperatura y se dirige hacia una temperatura decreciente. Las leyes de la transferencia de calor y las características cuantitativas de este proceso son el tema y la tarea del estudio de la teoría. intercambio de calor (transferencia de calor).

La doctrina de la transferencia de calor. es el estudio de los procesos de transferencia de calor. Su característica distintiva es su versatilidad, ya que son de gran importancia en casi todas las ramas de la tecnología.

La energía térmica se transfiere, como cualquier otra energía, en la dirección del potencial más alto al más bajo. Porque el potencial de la energía térmica es la temperatura, entonces el proceso de propagación del calor está estrechamente relacionado con la distribución de temperatura, es decir, con el llamado campo de temperatura. campo de temperatura es el conjunto de valores de temperatura en el espacio y el tiempo. En general, la temperatura t en cualquier punto del espacio es función de las coordenadas x, y, z y tiempo τ y por lo tanto la ecuación de campo de temperatura será

t = f(x, y, z, τ). (65)

Un campo en el que la temperatura cambia con el tiempo se llama transitorio, o no estacionario. Si la temperatura no cambia con el tiempo, entonces el campo se llama estado estacionario, o estacionario, y su ecuación será

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

El caso más simple de un campo de temperatura es un campo unidimensional estacionario cuya ecuación tiene la forma

t = f(x). (67)

La transferencia de calor que ocurre en un campo de temperatura no estacionario se llama transferencia de calor en modo no estacionario, y en un campo estacionario Transferencia de calor en estado estacionario.

El proceso de transferencia de calor es un proceso complejo que consta de tres tipos elementales de transferencia de calor: conductividad térmica, convección y radiación térmica (radiación) (Figura 12).

a - conductividad térmica; b - convección; a - radiación

Figura 12 - Variedades de transferencia de calor.

Segunda ley de la termodinámica- una de las leyes básicas de la física, la ley de entropía que no cae en un sistema aislado. Pone límites a la cantidad de trabajo útil que puede hacer una máquina térmica. En un nivel fundamental, la segunda ley de la termodinámica determina la dirección de los procesos en un sistema físico, del orden al desorden. Hay muchas formulaciones diferentes de la segunda ley de la termodinámica, que generalmente son equivalentes entre sí.

1. Formulación

2. Formulaciones alternativas

La redacción anterior es muy formal. Hay muchas formulaciones alternativas de la segunda ley de la termodinámica. Por ejemplo, Planck propuso esta formulación:

Es imposible construir una máquina que haga ciclos, enfríe una fuente de calor o levante cargas sin causar sin cambio en naturaleza.

Es imposible convertir el calor en trabajo sin realizar otra acción que no sea enfriar el sistema.

La naturaleza tiende a pasar de estados con menor probabilidad de realización a estados con mayor probabilidad de realización.

Es imposible crear una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo.

La transferencia espontánea de calor de menos caliente a más caliente es imposible

Donde hay una diferencia de temperatura, se puede trabajar

Las siguientes expresiones son comunes:

Es imposible construir una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo.

Es imposible transferir calor de un cuerpo frío a uno caliente sin gastar energía.

Todo sistema tiende a pasar del orden al desorden.

3. Antecedentes históricos

La segunda ley de la termodinámica se formuló a mediados del siglo XIX, en el momento en que se creaba la base teórica para el diseño y construcción de motores térmicos. Los experimentos de Mayer y Joule establecieron la equivalencia entre las energías térmica y mecánica (la primera ley de la termodinámica). Surgió la pregunta sobre la eficiencia de los motores térmicos. Estudios experimentales han demostrado que parte del calor se pierde necesariamente durante el funcionamiento de cualquier máquina.

En las décadas de 1850 y 1860, Clausius desarrolló el concepto de entropía en varias publicaciones. En 1865, finalmente eligió un nombre para el nuevo concepto. Estas publicaciones también demostraron que el calor no puede convertirse completamente en trabajo útil, formulando así la segunda ley de la termodinámica.

Boltzmann dio una interpretación estadística a la segunda ley de la termodinámica al introducir una nueva definición de entropía, que se basaba en conceptos atomísticos microscópicos.

4. Interpretación estadística

De la definición estadística de la entropía, es obvio que el aumento de la entropía corresponde a la transición a dicho estado macroscópico, que se caracteriza por el valor más alto de los estados microscópicos.

5. Flecha del tiempo

Si el estado inicial de un sistema termodinámico es de no equilibrio, con el tiempo pasa a un estado de equilibrio, aumentando su entropía. Este proceso procede sólo en una dirección. El proceso inverso, la transición del estado de equilibrio al estado inicial de no equilibrio, no se realiza. Es decir, el paso del tiempo recibe una dirección.

Las leyes de la física que describen el mundo microscópico son invariantes bajo el cambio de t a -t. Esta afirmación es cierta tanto para las leyes de la mecánica clásica como para las leyes de la mecánica cuántica. En el mundo microscópico actúan fuerzas conservativas, no hay rozamiento, que es la disipación de energía, es decir la transformación de otros tipos de energía en la energía del movimiento térmico, y esto, a su vez, está asociado con la ley de la entropía no decreciente.

Imagine, por ejemplo, un gas en un tanque colocado en un tanque grande. Si abre la válvula menos que el depósito, luego de un tiempo el gas llenará el depósito más grande de tal manera que su densidad se nivelará. De acuerdo con las leyes del mundo microscópico, también existe un proceso inverso, cuando el gas de un reservorio más grande se recolecta en un reservorio más pequeño. Pero en el mundo macroscópico, esto nunca sucede.

6. Muerte por calor

Si la entropía de cada sistema aislado solo aumenta con el tiempo, y el Universo es un sistema aislado, algún día la entropía alcanzará un máximo, después del cual cualquier cambio en ella será imposible.

Tal razonamiento, que apareció después de la instalación de la segunda ley de la termodinámica, se llama muerte térmica. Esta hipótesis fue ampliamente debatida en el siglo XIX.

Todo proceso en el mundo lleva a la disipación de parte de la energía y su transformación en calor, a más y más desorden. Por supuesto, nuestro universo es todavía bastante joven. Los procesos termonucleares en las estrellas provocan un flujo constante de energía hacia la Tierra, por ejemplo. La Tierra es y seguirá siendo durante mucho tiempo un sistema abierto que recibe energía de diversas fuentes: del Sol, de los procesos de decaimiento radiactivo en el núcleo, etc. En los sistemas abiertos la entropía puede disminuir, lo que provoca la aparición de diversas estructuras ordenadas.

Una simple formulación de la primera ley de la termodinámica puede parecer algo así: un cambio en la energía interna de un sistema solo es posible bajo una influencia externa. Es decir, en otras palabras, para que se produzcan algunos cambios en el sistema, es necesario realizar ciertos esfuerzos desde el exterior. En la sabiduría popular, los proverbios pueden servir como una especie de expresión de la primera ley de la termodinámica: "el agua no fluye debajo de una piedra tendida", "no se puede sacar fácilmente un pez de un estanque", etc. Es decir, usando el proverbio sobre el pez y el trabajo como ejemplo, uno puede imaginar que el pez es nuestro sistema condicionalmente cerrado, no ocurrirán cambios en él (el pez no saldrá del estanque) sin nuestra influencia y participación externas. (mano de obra).

Un dato interesante: es la primera ley de la termodinámica la que establece por qué fracasaron todos los numerosos intentos de científicos, investigadores e inventores de inventar una "máquina de movimiento perpetuo", porque su existencia es absolutamente imposible de acuerdo con esta misma ley, por qué, vea el párrafo anterior.

Al comienzo de nuestro artículo, había una definición máximamente simple de la primera ley de la termodinámica, de hecho, en la ciencia académica hay hasta cuatro formulaciones de la esencia de esta ley:

• La energía no aparece de ninguna parte y no desaparece en ninguna parte, solo pasa de una forma a otra (ley de conservación de la energía).
• La cantidad de calor que recibe el sistema se utiliza para realizar su trabajo contra fuerzas externas y cambiar la energía interna.
• El cambio en la energía interna de un sistema durante su transición de un estado a otro es igual a la suma del trabajo de las fuerzas externas y la cantidad de calor transferido al sistema, y ​​no depende del método por el cual se realiza esta transición. llevado a cabo.
• El cambio en la energía interna de un sistema termodinámico no aislado es igual a la diferencia entre la cantidad de calor transferido al sistema y el trabajo realizado por el sistema sobre las fuerzas externas.

Fórmula de la primera ley de la termodinámica.

La fórmula de la primera ley de la termodinámica se puede escribir de la siguiente manera:

La cantidad de calor Q transferida al sistema es igual a la suma del cambio en su energía interna ΔU y el trabajo A.

Procesos de la primera ley de la termodinámica

Además, la primera ley de la termodinámica tiene sus propios matices dependiendo de los procesos termodinámicos en curso, que pueden ser isócronos e isobáricos, y a continuación describiremos en detalle cada uno de ellos.

Primera ley de la termodinámica para un proceso isocórico

Un proceso isocórico en termodinámica es un proceso que ocurre a volumen constante. Es decir, si calientas una sustancia en un recipiente, ya sea en estado gaseoso o líquido, se producirá un proceso isocórico, ya que el volumen de la sustancia permanecerá invariable. Esta condición también tiene un efecto sobre la primera ley de la termodinámica, que tiene lugar durante un proceso isocórico.

En un proceso isocórico, el volumen V es una constante, por lo tanto, el gas no realiza trabajo A = 0

De aquí surge la siguiente fórmula:

Q = ΔU = U (T2) - U (T1).

Aquí U (T1) y U (T2) son las energías internas del gas en los estados inicial y final. La energía interna de un gas ideal depende únicamente de la temperatura (ley de Joule). Durante el calentamiento isocórico, el gas absorbe calor (Q > 0) y su energía interna aumenta. Durante el enfriamiento, el calor se transfiere a los cuerpos externos (Q< 0).

Primera ley de la termodinámica para procesos isobáricos.

De manera similar, un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre en un sistema a una presión y masa de gas constantes. Por tanto, en un proceso isobárico (p = const), el trabajo realizado por el gas se expresa mediante la siguiente ecuación de la primera ley de la termodinámica:

A = pag (V2 - V1) = pag ∆V.

La primera ley isobárica de la termodinámica da:

Q \u003d U (T2) - U (T1) + p (V2 - V1) \u003d ΔU + p ΔV. Con la expansión isobárica, Q > 0, el gas absorbe calor y el gas realiza un trabajo positivo. Bajo compresión isobárica Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Aplicación de la primera ley de la termodinámica.

La primera ley de la termodinámica tiene una aplicación práctica en varios procesos de la física, por ejemplo, le permite calcular los parámetros ideales de un gas en una variedad de procesos térmicos y mecánicos. Además de una aplicación puramente práctica, esta ley también puede usarse filosóficamente, porque digas lo que digas, la primera ley de la termodinámica es una expresión de una de las leyes más generales de la naturaleza: la ley de conservación de la energía. Incluso Eclesiastés escribió que nada aparece de ningún lado y no va a ningún lado, todo permanece para siempre, en constante transformación, y esta es toda la esencia de la primera ley de la termodinámica.

Vídeo de la primera ley de la termodinámica.

Y al final de nuestro artículo, su atención es un video educativo sobre la primera ley de la termodinámica y la energía interna.