Prema jednoj od formulacija drugog zakona termodinamike. Drugi zakon termodinamike

Spontani (spontani) procesi opisani su sljedećim karakteristikama:

1. Svi prirodni spontani procesi odvijaju se jednosmjerno, odnosno imaju jednosmjeran smjer. Na primjer, toplina prelazi s vrućeg tijela na hladno; plinovi zauzimaju najveći volumen.

2. Dio energije prelazi u toplinu, tj. sustav prelazi iz uređenog stanja u stanje sa slučajnim toplinskim kretanjem čestica.

3. Spontani procesi mogu se koristiti za proizvodnju korisnog rada. Kako se transformira, sustav gubi sposobnost proizvodnje rada. U konačnom stanju ravnoteže ima najmanju količinu energije.

4. Sustav se ne može vratiti u prvobitno stanje bez ikakvih promjena u njemu samom ili u okolini. Svi spontani procesi su termodinamički ireverzibilni.

5. Kod spontanog procesa početno stanje manje je vjerojatno u odnosu na svako sljedeće i najmanje vjerojatno u odnosu na konačno.

Nespontani procesi pojaviti s utroškom rada; u tom se slučaju sustav udaljava od ravnotežnog stanja (npr. kompresija plina, elektroliza).

Drugi zakon termodinamike- ovo je postulat. Statističke je prirode i primjenjiv je na sustave velikog broja čestica.

Drugi zakon termodinamike ima sljedeće formulacije:

1. Toplina ne može spontano prijeći s manje zagrijanog tijela na jače zagrijano.

2. Nemoguć je proces čiji je jedini rezultat pretvorba topline u rad.

3. Perpetum mobile druge vrste je nemoguć. Toplina najhladnijeg tijela uključenog u proces ne može poslužiti kao izvor rada.

Analitičko izražavanje drugog zakona termodinamike i njegovo opravdanje pomoću Carnotovog ciklusa. Bit izraza drugog zakona termodinamike je veza između spontanosti procesa i rasta entropije.Ovaj izraz proizlazi iz razmatranja pitanja teorijske potpunosti pretvorbe topline u rad u reverzibilnom Carnotovom ciklusu .

Ciklus se sastoji od četiri procesa:

AB- izotermno širenje uslijed topline Q 1, doveden plinu na temperaturi T 1;

Sunce- adijabatsko širenje;

SD- izotermna kompresija pri temperaturi T 2, u tom procesu plin gubi toplinu Q 2;

DA- adijabatska kompresija do početnog stanja.

Toplina apsorbirana (ili oslobođena) tijekom izotermnog širenja (ili kompresije) jednog mola idealnog plina jednaka je radu

Tijekom adijabatskog širenja (ili kompresije)

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

Jednadžba (4.3) je matematički izraz drugog zakona termodinamike.

Jer T 1‹ T 2, To η < 1.

Prema Carnotovoj teoriji, zamjena idealnog plina bilo kojom drugom tvari neće promijeniti učinkovitost. Carnotov ciklus. Zamjena Carnotovog ciklusa bilo kojim drugim ciklusom rezultirat će nižom učinkovitošću. (Clasius-Carnotov teorem). Dakle, čak iu slučaju idealnog toplinskog stroja pretvaranje topline u rad ne može biti potpuna.

Izraz drugog zakona termodinamike omogućuje nam uvođenje pojma entropije, uz pomoć kojega se bit zakona otkriva u prikladnom i općem obliku.

Promijenimo izraz (4.3):

na . (4.4)

Omjer se naziva smanjena toplina. Jednadžba (4.4) pokazuje da je algebarski zbroj reduciranih toplina tijekom reverzibilnog Carnotovog ciklusa jednak nuli.

Za infinitezimalni reverzibilni Carnotov ciklus

gdje je elementarna reducirana toplina.

Bilo koji ciklus može se zamijeniti skupom infinitezimalnih Carnotovih ciklusa: .

U limitu će se ovaj iznos pretvoriti u .

U teoriji integrala je dokazano da ako je integral po zatvorenoj petlji jednak nuli, tada je izraz integranda potpuni diferencijal neke funkcije parametara koji određuju stanje sustava.

Gdje S- Ovo entropija, takva funkcija stanja sustava, čiji je ukupni diferencijal u reverzibilnom procesu jednak omjeru infinitezimalne količine topline i temperature.

Pojam “entropije” uveo je Clausius (1850.) . Ovaj izraz je matematički izraz drugog zakona termodinamike za reverzibilne procese.

Promjena entropije u reverzibilnom procesu jednaka je promjeni entropije u ireverzibilnom procesu, tj. . Usporedimo topline reverzibilnih i ireverzibilnih procesa. Prema prvom zakonu termodinamike . Unutarnja energija U je funkcija stanja sustava, dakle . Stoga se maksimalni rad obavlja tijekom reverzibilnog procesa

U općem slučaju za reverzibilne i ireverzibilne procese Drugi zakon termodinamike ima sljedeći matematički izraz:

Ovdje dS = konst, a mijenja se samo desna strana jednadžbe, tj. toplinska vrijednost. Entropijske jedinice: [ S] = J/mol·K.

Kombinirana jednadžba prvog i drugog zakona termodinamike je:

Proračun promjene entropije idealnog plina.

Izrazimo promjenu unutarnje energije

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

(4.7)

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

(4.8)

Integrirajmo izraz (4.8) na i dobijemo Jednadžba za izračunavanje promjene entropije idealnog plina je:

(4.9)

Izotermni proces: , (4.10)

od tad . (4.11)

Izohorni proces: . (4.12)

Izobarni proces: . (4.13)

Adijabatski proces: . (4.14)

Planckov postulat ima sljedeću formulaciju: pri apsolutnoj nuli entropija pravilno oblikovanih kristala čistih tvari jednaka je nuli. Postulat omogućuje izračunavanje apsolutne vrijednosti entropije ako su poznate topline faznih prijelaza i ako su poznati toplinski kapaciteti tvari u različitim agregatnim stanjima.

Kako nastaje energija, kako se pretvara iz jednog oblika u drugi i što se događa s energijom u zatvorenom sustavu? Zakoni termodinamike pomoći će odgovoriti na sva ova pitanja. O drugom zakonu termodinamike danas ćemo detaljnije govoriti.

Zakoni u svakodnevnom životu

Zakoni upravljaju svakodnevnim životom. Prometni zakoni kažu da morate stati na znakovima stop. Državni radnici dužni su davati dio svojih plaća državnoj i federalnoj vladi. Čak su i one znanstvene primjenjive u svakodnevnom životu. Na primjer, zakon gravitacije predviđa prilično loš ishod za one koji pokušavaju letjeti. Drugi skup znanstvenih zakona koji utječu na svakodnevni život su zakoni termodinamike. Dakle, mogu se dati brojni primjeri da se vidi kako oni utječu na svakodnevni život.

Prvi zakon termodinamike

Prvi zakon termodinamike kaže da se energija ne može stvoriti niti uništiti, ali se može pretvoriti iz jednog oblika u drugi. Ovo se ponekad naziva i zakon održanja energije. Dakle, kako se to odnosi na svakodnevni život? Pa, uzmite za primjer računalo koje sada koristite. Hrani se energijom, ali odakle dolazi ta energija? Prvi zakon termodinamike nam govori da ta energija nije mogla doći iz zraka, pa je došla odnekud.

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

Kako radi hidroelektrana? Za rotaciju turbine koristi se voda. Kada se turbina okreće, pokreće se generator koji će stvarati električnu energiju. Ta se električna energija u cijelosti može prenijeti žicama od elektrane do vašeg doma, tako da kada uključite kabel za napajanje u električnu utičnicu, struja teče u vaše računalo kako bi moglo raditi.

Što se ovdje dogodilo? Već je postojala određena količina energije koja je bila povezana s vodom u rijeci kao kinetička energija. Zatim se pretvorila u potencijalnu energiju. Brana je zatim uzela tu potencijalnu energiju i pretvorila je u električnu energiju, koja bi potom mogla ići u vaš dom i napajati vaše računalo.

Drugi zakon termodinamike

Proučavajući ovaj zakon, može se razumjeti kako energija funkcionira i zašto se sve kreće prema mogućem kaosu i neredu. Drugi zakon termodinamike naziva se i zakon entropije. Jeste li se ikada zapitali kako je svemir nastao? Prema Teoriji velikog praska, prije nego što je sve nastalo, okupila se ogromna količina energije. Nakon Velikog praska pojavio se Svemir. Sve je to dobro, ali kakva je to energija bila? Na početku vremena, sva energija u Svemiru bila je sadržana na jednom relativno malom mjestu. Ova intenzivna koncentracija predstavljala je ogromnu količinu onoga što se naziva potencijalnom energijom. S vremenom se proširio golemim prostranstvom našeg Svemira.

U mnogo manjoj mjeri, spremnik vode koju drži brana sadrži potencijalnu energiju jer joj njegov položaj omogućuje protok kroz branu. U svakom slučaju, pohranjena energija, nakon što se oslobodi, širi se i to bez ikakvog napora. Drugim riječima, oslobađanje potencijalne energije je spontani proces koji se odvija bez potrebe za dodatnim resursima. Kako se energija širi, dio nje se pretvara u korisnu energiju i obavlja određeni rad. Ostatak se pretvara u neiskoristivu energiju, jednostavno nazvanu toplina.

Kako se Svemir nastavlja širiti, on sadrži sve manje korisne energije. Ako je dostupan manje koristan, može se obaviti manje posla. Dok voda teče kroz branu, ona također sadrži manje korisne energije. Ovo smanjenje korisne energije tijekom vremena naziva se entropija, gdje je entropija količina neiskorištene energije u sustavu, a sustav je jednostavno skup objekata koji čine cjelinu.

Entropija se također može nazvati količinom slučajnosti ili kaosa u organizaciji bez organizacije. Kako se korisna energija s vremenom smanjuje, neorganiziranost i kaos se povećavaju. Dakle, kako se akumulirana potencijalna energija oslobađa, ne pretvara se sva u korisnu energiju. Svi sustavi doživljavaju ovo povećanje entropije tijekom vremena. Ovo je vrlo važno razumjeti, a taj se fenomen naziva drugi zakon termodinamike.

Entropija: slučajnost ili nedostatak

Kao što možda pretpostavljate, drugi zakon slijedi prvi, koji se obično naziva zakon održanja energije, a on kaže da se energija ne može stvoriti niti uništiti. Drugim riječima, količina energije u svemiru ili bilo kojem sustavu je konstantna. Drugi zakon termodinamike obično se naziva zakon entropije, a smatra da kako vrijeme prolazi, energija postaje manje korisna i njezina kvaliteta s vremenom opada. Entropija je stupanj slučajnosti ili nedostataka koje sustav ima. Ako je sustav vrlo neuređen, tada ima visoku entropiju. Ako u sustavu postoji mnogo grešaka, tada je entropija niska.

Jednostavno rečeno, drugi zakon termodinamike kaže da se entropija sustava ne može smanjivati ​​tijekom vremena. To znači da u prirodi stvari prelaze iz stanja reda u stanje nereda. I to je nepovratno. Sustav nikada neće postati uređeniji sam od sebe. Drugim riječima, u prirodi entropija sustava uvijek raste. Jedan način razmišljanja o tome je vaš dom. Ako ga nikada ne čistite i ne usisavate, vrlo brzo ćete imati užasan nered. Entropija je porasla! Da bi se to smanjilo, potrebno je primijeniti energiju za korištenje usisavača i krpe za čišćenje prašine s površine. Kuća se neće sama očistiti.

Što je drugi zakon termodinamike? Formulacija jednostavnim riječima kaže da kada energija prelazi iz jednog oblika u drugi, materija se ili slobodno kreće ili se povećava entropija (nered) u zatvorenom sustavu. Razlike u temperaturi, tlaku i gustoći imaju tendenciju da se horizontalno izravnaju nakon nekog vremena. Zbog gravitacije, gustoća i tlak se okomito ne izjednačavaju. Gustoća i pritisak na dnu bit će veći nego na vrhu. Entropija je mjera širenja materije i energije gdje god ima pristup. Najčešća formulacija drugog zakona termodinamike uglavnom se povezuje s Rudolfom Clausiusom, koji je rekao:

Nemoguće je konstruirati uređaj koji ne proizvodi nikakav drugi učinak osim prijenosa topline s tijela niže temperature na tijelo više temperature.

Drugim riječima, sve pokušava održati istu temperaturu tijekom vremena. Postoje mnoge formulacije drugog zakona termodinamike koje koriste različite izraze, ali sve znače istu stvar. Još jedna Clausiusova izjava:

Toplina sama po sebi ne prelazi s hladnijeg tijela na toplije.

Drugi zakon vrijedi samo za velike sustave. Odnosi se na vjerojatno ponašanje sustava u kojem nema energije ili materije. Što je veći sustav, to je vjerojatniji drugi zakon.

Druga formulacija zakona:

Ukupna entropija uvijek raste u spontanom procesu.

Povećanje entropije ΔS tijekom procesa mora premašiti ili biti jednako omjeru količine topline Q predane sustavu i temperature T pri kojoj se toplina predaje.

Termodinamički sustav

U općem smislu, drugi zakon termodinamike jednostavno kaže da temperaturne razlike između sustava koji su u međusobnom kontaktu teže izjednačavanju i da se rad može dobiti iz tih neravnotežnih razlika. Ali istodobno dolazi do gubitka toplinske energije, a entropija se povećava. Razlike u tlaku, gustoći i temperaturi teže se izjednačiti ako im se pruži prilika; Gustoća i tlak, ali ne i temperatura, ovise o gravitaciji. Toplinski stroj je mehanički uređaj koji proizvodi koristan rad zbog razlike u temperaturi dvaju tijela.

Termodinamički sustav je onaj koji je u interakciji i izmjenjuje energiju s područjem oko sebe. Razmjena i prijenos moraju se odvijati na najmanje dva načina. Jedan od načina mora biti prijenos topline. Ako je termodinamički sustav "u ravnoteži", ne može promijeniti svoje stanje ili status bez interakcije s okolinom. Jednostavno rečeno, ako ste u ravnoteži, vi ste "sretan sustav", ne možete ništa učiniti. Ako želite nešto učiniti, morate komunicirati sa svijetom oko sebe.

Drugi zakon termodinamike: nepovratnost procesa

Nemoguće je imati ciklički (ponavljajući) proces koji u potpunosti pretvara toplinu u rad. Također je nemoguće imati proces koji prenosi toplinu s hladnih na tople objekte bez korištenja rada. Dio energije u reakciji uvijek se gubi zagrijavanjem. Osim toga, sustav ne može pretvoriti svu svoju energiju u radnu energiju. Drugi dio zakona je očitiji.

Hladno tijelo ne može zagrijati toplo tijelo. Toplina prirodno nastoji teći iz toplijih u hladnija područja. Ako se toplina kreće od nižih prema toplijim temperaturama, to je u suprotnosti s onim što je "prirodno", pa sustav mora malo raditi da bi se to dogodilo. u prirodi – drugi zakon termodinamike. Ovo je možda najpoznatiji (barem među znanstvenicima) i najvažniji zakon u cijeloj znanosti. Jedna od njegovih formulacija:

Entropija Svemira teži svom maksimumu.

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

Odnosi u termodinamici

Zakoni termodinamike opisuju odnose između toplinske energije ili topline i drugih oblika energije te kako energija utječe na materiju. Prvi zakon termodinamike kaže da se energija ne može stvoriti niti uništiti; ukupna količina energije u svemiru ostaje nepromijenjena. Drugi zakon termodinamike bavi se kvalitetom energije. Ona navodi da se kako se energija prenosi ili pretvara, gubi se sve više korisne energije. Drugi zakon također kaže da postoji prirodna tendencija da svaki izolirani sustav postane neuređeniji.

Čak i kada se red poveća na određenoj lokaciji, kada uzmete u obzir cijeli sustav, uključujući i okoliš, uvijek dolazi do povećanja entropije. U drugom primjeru, kristali se mogu formirati iz otopine soli kada voda ispari. Kristali su uređeniji od molekula soli u otopini; međutim, isparena voda je puno neurednija od tekuće vode. Proces uzet kao cjelina rezultira neto povećanjem nereda.

Rad i energija

Drugi zakon objašnjava da je nemoguće toplinsku energiju pretvoriti u mehaničku sa 100 postotnom učinkovitošću. Možete dati primjer s automobilom. Nakon procesa zagrijavanja plina kako bi se povećao njegov tlak za pokretanje klipa, u plinu uvijek ostaje nešto topline, koja se ne može iskoristiti za obavljanje bilo kakvog dodatnog rada. Ova otpadna toplina mora se odbaciti prijenosom na radijator. U slučaju automobilskog motora, to se postiže izvlačenjem istrošenog goriva i mješavine zraka u atmosferu.

Dodatno, bilo koji uređaj s pokretnim dijelovima stvara trenje, koje pretvara mehaničku energiju u toplinu, koja je obično neupotrebljiva i mora se ukloniti iz sustava prijenosom u hladnjak. Kada vruće i hladno tijelo dođu u dodir jedno s drugim, toplinska energija će teći od vrućeg tijela prema hladnom tijelu sve dok ne postignu toplinsku ravnotežu. Međutim, toplina se nikada neće vratiti na drugu stranu; temperaturna razlika između dva tijela nikada se neće spontano povećati. Premještanje topline s hladnog tijela na vruće zahtijeva rad koji mora izvršiti vanjski izvor energije kao što je dizalica topline.

Sudbina svemira

Drugi zakon također predviđa kraj svemira. Ovo je konačna razina nereda, ako posvuda postoji konstantna toplinska ravnoteža, nikakav rad se ne može obaviti i sva će energija završiti kao nasumično gibanje atoma i molekula. Prema suvremenim podacima, Metagalaksija je nestacionarni sustav koji se širi; ne može se govoriti o toplinskoj smrti Svemira. Toplinska smrt je stanje toplinske ravnoteže u kojem svi procesi prestaju.

Ovo stajalište je pogrešno, jer drugi zakon termodinamike vrijedi samo za zatvorene sustave. A Svemir je, kao što znamo, neograničen. Međutim, sam izraz “toplinska smrt svemira” ponekad se koristi za označavanje scenarija budućeg razvoja svemira, prema kojem će se on nastaviti širiti unedogled u tamu svemira dok se ne pretvori u raspršenu hladnu prašinu.

Osnovne odredbe drugog zakona termodinamike

Prvi zakon termodinamike, kao poseban slučaj općeg zakona održanja i transformacije energije, kaže da se toplina može pretvoriti u rad, a rad u toplinu, bez utvrđivanja uvjeta pod kojima su te transformacije moguće.

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

Na primjer, prvi zakon ne rješava pitanje hoće li toplina prijeći sa zagrijanog tijela na hladno ili obrnuto. Svakodnevna opažanja i pokusi pokazuju da toplina može samo sama prelaziti sa zagrijanih tijela na hladnija. Prijenos topline sa zagrijanog tijela na okolinu odvijat će se do potpune temperaturne ravnoteže s okolinom. Samo utroškom rada može se promijeniti smjer kretanja topline.

Ovo svojstvo topline oštro je razlikuje od rada.

Rad se, kao i sve druge vrste energije uključene u bilo koji proces, lako i potpuno pretvara u toplinu. Potpunu pretvorbu rada u toplinu čovjek je poznavao još u davna vremena, kada je trljanjem dva komada drveta proizvodio vatru. Procesi pretvaranja rada u toplinu odvijaju se kontinuirano u prirodi: trenje, udar, kočenje itd.

Toplina se ponaša potpuno drugačije, na primjer, u toplinskim strojevima. Pretvorba topline u rad događa se samo ako postoji temperaturna razlika između izvora topline i hladnjaka. U tom se slučaju sva toplina ne može pretvoriti u rad.

Iz navedenog proizlazi da postoji duboka razlika između transformacije topline u rad i obratno. Zakon koji omogućuje određivanje smjera toka topline i utvrđuje najveću moguću granicu pretvorbe topline u rad u toplinskim strojevima je novi zakon, stečeno iskustvom. To je drugi zakon termodinamike, koji ima opći značaj za sve toplinske procese. Drugi zakon termodinamike nije ograničen na tehnologiju; koristi se u fizici, kemiji, biologiji, astronomiji itd.

Godine 1824. Sadi Carnot, francuski inženjer i znanstvenik, iznio je bit drugog zakona u svojim raspravama o pokretačkoj sili vatre.

Pedesetih godina prošlog stoljeća Clausius je dao najopćenitiju i najmoderniju formulaciju drugog zakona termodinamike u obliku sljedećeg postulata: “ Toplina ne može sama prelaziti s hladnog tijela na toplije slobodnim procesom (bez kompenzacije)" Clausiusov postulat treba smatrati eksperimentalnim zakonom, dobivenim promatranjem okolne prirode. Clausiusov zaključak donesen je u odnosu na područje tehnike, no pokazalo se da je i drugi zakon u odnosu na fizikalne i kemijske pojave točan. Clausiusov postulat, kao i sve druge formulacije drugog zakona, izražava jedan od osnovnih, ali ne i apsolutnih zakona prirode, budući da je formuliran u odnosu na objekte koji imaju konačne dimenzije u zemaljskim uvjetima koji nas okružuju.

Istovremeno s Clausiusom 1851. Thomson je iznio drugu formulaciju drugog zakona termodinamike, iz koje proizlazi da se ne može sva toplina dobivena prijenosom topline pretvoriti u rad, već samo dio.

Dio topline mora ići u hladnjak.

Dakle, za dobivanje rada potrebno je imati izvor topline s visokom temperaturom, odn rashladno tijelo, i izvor topline niske temperature, ili rashladno tijelo. Osim toga, Thomsonov postulat pokazuje da nije moguće izgraditi perpetuum mobile koji bi stvarao rad koristeći samo unutarnju energiju mora, oceana i zraka. Ovo stajalište može se formulirati kao drugi zakon termodinamike: "Implementacija perpetuum mobile druge vrste je nemoguća." Pod perpetuum mobileom druge vrste podrazumijeva se motor koji je sposoban u potpunosti pretvoriti u rad svu toplinu primljenu iz samo jednog izvora.

Osim navedenih, postoji još nekoliko formulacija drugog zakona termodinamike, koje u biti ne uvode ništa novo pa stoga nisu date.

Entropija.

Drugi zakon termodinamike, kao i Prvi (Zakon održanja energije), ustanovljen je empirijski. Prvi ga je formulirao Clausius: "toplina spontano prelazi samo s tijela s višom temperaturom na tijelo s nižom temperaturom i ne može se spontano prenositi u suprotnom smjeru."

Druga formulacija: sve spontani procesi u prirodi se povećavaju entropija. (Entropija- mjera kaosa, neuređenosti sustava). Razmotrimo sustav dvaju tijela s različitim temperaturama u kontaktu. Toplaće ići od tijela s višom temperaturom prema tijelu s nižom, sve dok se temperature obaju tijela ne izjednače. U tom će slučaju određeni iznos biti prebačen s jednog tijela na drugo toplina dQ. Ali entropija u ovom slučaju, za prvo tijelo će se smanjiti za manji iznos nego što će se povećati za drugo tijelo, koje uzima toplina, budući da je po definiciji dS=dQ/T (temperatura u nazivniku!). Odnosno, kao rezultat ovoga spontani proces entropije sustavi dvaju tijela postat će veći od zbroja entropije ta tijela prije nego proces započne. Drugim riječima, spontani proces prijenos topline s tijela s visokom temperaturom na tijelo s nižom temperaturom doveo je do toga da entropija sustav ova dva tijela se povećao!

Najvažnija svojstva entropije zatvorenih sustava:

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

ΔS arr =0, S=const.

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

ΔS sirovo >0.

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

S elementarnom promjenom stanja zatvorenog sustava entropija se ne smanjuje: dS≥0. Znak jednakosti odnosi se na reverzibilne procese, a znak nejednakosti na ireverzibilne. Točka c) jedna je od formulacija drugog zakona (zakona) termodinamike. Za proizvoljan proces koji se odvija u termodinamičkom sustavu vrijedi sljedeća relacija:

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

Svojstva entropije.

1. Dakle, entropija je funkcija stanja. Ako se proces odvija duž adijabata, tada se entropija sustava ne mijenja. To znači da su i adijabati izentrope. Svakoj “višoj” adijabati (izentropi) odgovara veća vrijednost entropije. To se može lako provjeriti izvođenjem izotermnog procesa između točaka 1 i 2, koje leže na različitim adijabatama (*vidi sliku). U ovom procesu T=const, dakle S2-S1=Q/T. Za idealan plin Q je jednak radu A koji izvrši sustav. A budući da je A>0, to znači S 2 > S 1. Dakle, znajući kako izgleda adijabatski sustav. Lako možemo odgovoriti na pitanje o porastu entropije tijekom bilo kojeg procesa koji nas zanima između ravnotežnih stanja 1 i 2. Entropija je aditivna veličina: entropija makrosustava jednaka je zbroju entropija njegovih pojedinačnih dijelova.

3. Jedno od najvažnijih svojstava entropije je da se entropija zatvorenog (tj. toplinski izoliranog) makrosustava ne smanjuje - ona ili raste ili ostaje konstantna. Ako sustav nije zatvoren, tada mu se entropija može povećati ili smanjiti.

Načelo povećanja entropije zatvorenih sustava još je jedna formulacija drugog zakona termodinamike. Veličina povećanja entropije u zatvorenom makrosustavu može poslužiti kao mjera nepovratnosti procesa koji se odvijaju u sustavu. U graničnom slučaju, kada su procesi reverzibilni, entropija zatvorenog makrosustava se ne mijenja.

Razlika ΔS entropije u dva stanja sustava ima fizikalni smisao. Da biste odredili promjenu entropije u slučaju ireverzibilnog prijelaza sustava iz jednog stanja u drugo, morate smisliti neki reverzibilni proces koji povezuje početno i konačno stanje, te pronaći smanjenu toplinu koju sustav prima tijekom takvog tranzicija.

Riža. 3.12.4 - Nepovratni proces širenja plina "u prazninu" u nedostatku izmjene topline

Samo početno i krajnje stanje plina u ovom procesu su ravnotežni i mogu se prikazati na (p, V) dijagramu. Točke (a) i (b), koje odgovaraju tim stanjima, leže na istoj izotermi. Da bi se izračunala promjena entropije ΔS, može se razmotriti reverzibilni izotermni prijelaz iz (a) u (b). Budući da pri izotermnom širenju plin prima određenu količinu topline od okolnih tijela Q > 0, možemo zaključiti da je nepovratnim širenjem plina entropija porasla: ΔS > 0.

Drugi primjer ireverzibilnog procesa je prijenos topline pri konačnoj temperaturnoj razlici. Na sl. Slika 3.12.5 prikazuje dva tijela zatvorena u adijabatskoj ljusci. Početne temperature tijela T1 i 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.

Povećanje entropije zajedničko je svojstvo svih spontano nastalih ireverzibilnih procesa u izoliranim termodinamičkim sustavima. Tijekom reverzibilnih procesa u izoliranim sustavima entropija se ne mijenja: ΔS≥0. Ovaj odnos se obično naziva zakon rastuće entropije. Za sve procese koji se odvijaju u termodinamičkim izoliranim sustavima, entropija ili ostaje nepromijenjena ili se povećava.

Dakle, entropija označava smjer procesa koji se spontano odvijaju. Porast entropije ukazuje da se sustav približava stanju termodinamičke ravnoteže. U ravnoteži entropija poprima najveću vrijednost. Zakon rastuće entropije može se uzeti kao još jedna formulacija drugog zakona termodinamike.

Godine 1878. L. Boltzmann dao je probabilističku interpretaciju pojma entropije. Predložio je razmatranje entropije kao mjere statističkog poremećaja u zatvorenom termodinamičkom sustavu. Svi spontano nastali procesi u zatvorenom sustavu, koji sustav približavaju stanju ravnoteže i praćeni povećanjem entropije, usmjereni su na povećanje vjerojatnosti stanja.

Svako stanje makroskopskog sustava koji sadrži veliki broj čestica može se ostvariti na više načina. Termodinamička vjerojatnost W stanja sustava je broj načina na koji se dano stanje makroskopskog sustava može realizirati, ili broj mikrostanja koja implementiraju dano makrostanje. Prema definiciji, termodinamička vjerojatnost je W >> 1.

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

Samo jedno od mikrostanja odgovara slučaju kada su sve molekule skupljene u jednoj polovici (npr. desnoj) posude. Vjerojatnost takvog događaja je praktički nula. Najveći broj mikrostanja odgovara ravnotežnom stanju, u kojem su molekule ravnomjerno raspoređene po cijelom volumenu. Stoga je stanje ravnoteže najvjerojatnije. S druge strane, ravnotežno stanje je stanje najvećeg nereda u termodinamičkom sustavu i stanje s maksimalnom entropijom.

Prema Boltzmannu, entropija S sustava i termodinamička vjerojatnost W povezane su na sljedeći način: S=klnW, gdje je k = 1,38·10 –23 J/K Boltzmannova konstanta. Dakle, entropija je određena logaritmom broja mikrostanja uz pomoć kojih se dano makrostanje može ostvariti. Posljedično, entropija se može smatrati mjerom vjerojatnosti stanja termodinamičkog sustava. Probilistička interpretacija drugog zakona termodinamike dopušta spontano odstupanje sustava od stanja termodinamičke ravnoteže. Takva odstupanja nazivaju se fluktuacije. U sustavima koji sadrže veliki broj čestica, značajna odstupanja od stanja ravnoteže su vrlo mala.

Kružni termodinamički procesi ili ciklusi

U prethodno razmotrenim termodinamičkim procesima proučite pitanja dobivanja rada bilo kao rezultat dovedene topline, bilo kao rezultat promjene unutarnje energije radnog fluida, ili istovremeno kao rezultat obojega. Jednostrukim širenjem plina u cilindru može se postići samo ograničena količina rada. Doista, tijekom bilo kojeg procesa plina renija u cilindru, ipak će doći trenutak kada temperatura i tlak radne tekućine postanu jednaki temperaturi i tlaku okoline, iu tom trenutku proizvodnja rada prestaje.

Posljedično, da bi se ponovno dobio rad, potrebno je vratiti radni fluid u prvobitno stanje tijekom procesa kompresije.

Iz slike 8 proizlazi da ako radni fluid ekspandira duž krivulje 1-3-2, tada proizvodi rad prikazan na pv-dijagramu pl. 13245. Dolaskom u točku 2 radni fluid se mora vratiti u početno stanje (u točku 1) kako bi ponovno mogao proizvesti rad. Proces vraćanja tijela u početno stanje može se provesti na tri načina.

Slika 8 – Kružni procesi.

1. Krivulja kompresije 2-3-1 podudara se s krivuljom ekspanzije 1-3-2. U takvom procesu sav rad dobiven tijekom ekspanzije (pl. 13245) jednak je radu kompresije (pl. 23154), a pozitivni rad je jednak nuli. Krivulja kompresije 2-6-1 nalazi se iznad linije ekspanzije 1-3-2; .u ovom slučaju, veća količina rada se troši na kompresiju (pl. 51624) nego što će se dobiti tijekom ekspanzije (pl. 51324).

Krivulja kompresije-2-7-1 nalazi se ispod linije ekspanzije 1-3-2. U ovom kružnom procesu, rad širenja (pl. 51324) bit će veći od rada kompresije (pl. 51724). Kao rezultat, pozitivno djelo, prikazano mn., bit će dano izvana. 13271 unutar zatvorene linije kružnog procesa ili ciklusa.

Ponavljanjem ciklusa neograničen broj puta, možete dobiti bilo koju količinu rada koristeći dovedenu toplinu.

Ciklus koji rezultira pozitivnim radom naziva se direktni ciklus ili ciklus toplinskog motora; u njemu je rad rastezanja veći od rada sabijanja. Ciklus koji troši rad naziva se obrnuti, kod njega je rad kompresije veći od rada rastezanja. Rashladne jedinice rade pomoću obrnutih ciklusa.

Ciklusi su reverzibilni i ireverzibilni. Ciklus koji se sastoji od ravnotežnih reverzibilnih procesa naziva se reverzibilan. Radni fluid u takvom ciklusu ne bi trebao biti podvrgnut kemijskim promjenama.

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

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

Toplinska učinkovitost i rashladni koeficijent ciklusa

Proučavanje bilo kojeg reverzibilnog ciklusa dokazuje da je za njegovu provedbu potrebno u svakoj točki izravnog procesa dovoditi toplinu iz prijenosnika topline u radni fluid pri infinitezimalnoj temperaturnoj razlici i odvoditi toplinu iz radnog fluida u prijemnike topline. također pri infinitezimalnoj temperaturnoj razlici. U ovom slučaju, temperatura dvaju susjednih izvora topline mora se razlikovati za beskonačno mali iznos, jer će inače, pri konačnoj temperaturnoj razlici, procesi prijenosa topline biti nepovratni: Prema tome, za stvaranje toplinskog stroja potrebno je imati beskonačno veliki broj prijenosnika topline, prijamnika topline i radnog fluida.

Na putu 1-3-2 (slika 8) radni fluid vrši specifični rad širenja, brojčano jednak pl. 513245, zbog specifične količine topline primljene od emitera topline, a dijelom i zbog svoje unutarnje energije. Na stazi 2-7-1 utrošen je specifični kompresijski rad, brojčano jednak pl. 427154, od kojih se dio u obliku određene količine topline odvodi u prijemnike topline, a drugi dio se troši na povećanje unutarnje energije radnog fluida do početnog stanja. Kao rezultat izravnog ciklusa, dati će se pozitivni specifični rad, jednak razlici između rada širenja i kompresije. Ovaj posao .

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

Budući da se u ciklusu konačno stanje tijela poklapa s početnim stanjem, unutarnja energija radnog tijela se ne mijenja i stoga

Omjer specifične količine topline pretvorene u pozitivan specifični rad u jednom ciklusu prema cjelokupnoj specifičnoj količini topline dovedene radnom fluidu naziva se t izravna toplinska učinkovitost

ciklus:

Vrijednost je pokazatelj savršenosti ciklusa toplinskog stroja. Što je vrijednost veća, to se veći dio dovedene topline pretvara u koristan rad. Vrijednost toplinske učinkovitosti ciklus je uvijek manji od jedan i može biti jednak jedan ako ili, što se ne može učiniti.

Rezultirajuća jednadžba (62) pokazuje da se sva toplina dovedena radnom fluidu u ciklusu ne može potpuno pretvoriti u rad bez odvođenja određene količine topline u prijemnik topline.

Tako se Carnotova glavna ideja pokazala točnom, naime: u zatvorenom kružnom procesu toplina se može pretvoriti u mehanički rad samo ako postoji temperaturna razlika između prijenosnika i primatelja topline. Što je ta razlika veća, to je veća učinkovitost. ciklus toplinskog motora.

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

U obrnutom ciklusu, toplina se dovodi iz prijemnika topline u radni fluid i troši se specifični rad, koji se pretvara u jednaku količinu topline, koja se zajedno prenosi na emitere topline:

Bez utroška samog rada takav prijelaz je nemoguć.

Stupanj savršenstva obrnutog ciklusa određen je tzv ciklusni koeficijent učinka.

Koeficijent učinka pokazuje koliko se topline odvodi iz hladnjaka kada se potroši jedna jedinica rada. Njegova vrijednost je obično veća od jedinice.

Carnotovi ciklusi.

Izravni reverzibilni Carnotov ciklus

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

Ovaj je ciklus prvi razmatrao Sadi Carnot u svom djelu "Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o strojevima sposobnim za razvoj ove sile", objavljenom 1824. Da bismo bolje razumjeli postupak za provedbu ovog ciklusa, zamislimo toplinski stroj, čiji se cilindar po potrebi može namjestiti i kao apsolutno toplinski vodljiv i kao apsolutno toplinski nevodljiv. Neka su početni parametri radnog fluida u prvom položaju klipa, a temperatura jednaka temperaturi prijenosnika topline. Ako je u ovom trenutku cilindar apsolutno toplinski vodljiv i ako se dovede u kontakt s prijenosnikom topline beskonačno velikog kapaciteta energije, predajući toplinu radnom fluidu prema izotermi 1-2, tada će se plin proširiti do točke 2 i učiniti raditi. Parametri točke 2: Od točke 2 cilindar mora biti apsolutno nevodljiv. Radni fluid s temperaturom T 1, šireći se duž adijabate 2-3 do temperature hladnjaka T 2, izvršit će rad. Parametri točke 3: . Od točke 3 činimo cilindar apsolutno toplinski vodljivim. Sabijanjem radnog fluida duž izoterme 3-4 istovremeno odvodimo toplinu prijemniku topline. Na kraju izotermne kompresije parametri radnog fluida će biti . Od točke 4 u cilindru koji potpuno ne provodi toplinu, proces adijabatske kompresije 4-1 vraća radni fluid u prvobitno stanje.

Tako se tijekom cijelog ciklusa toplina predavala radnom fluidu iz prijenosnika topline, a toplina se prenosila na prijamnik topline.

Toplinska učinkovitost ciklus

Isporučena toplina prema izotermi 1-2 određena je na sljedeći način:

Apsolutnu vrijednost odvedene topline nalazimo pomoću izoterme 3-4 kako slijedi:

Zamjenom pronađenih vrijednosti u jednadžbu toplinske učinkovitosti dobivamo

Za adijabatski proces širenja odnosno kompresije imamo

I

Stoga jednadžba toplinske učinkovitosti Carnotov ciklus nakon redukcije poprima oblik

Toplinska učinkovitost reverzibilni Carnotov ciklus ovisi samo o apsolutnim temperaturama prijenosnika topline i hladnjaka. Što je viša temperatura hladnjaka i što je niža temperatura hladnjaka, to će biti veća. Toplinska učinkovitost Carnotov ciklus je uvijek manji od jedan, budući da je za postizanje učinkovitosti jednake jedinici potrebno da je T 2 = 0 ili T 1 = ∞, što nije izvedivo. Toplinska učinkovitost Carnotovog ciklusa ne ovisi o prirodi radnog fluida i pri T 2 -T 1 je jednak nuli, tj. ako su tijela u toplinskoj ravnoteži, tada je nemoguće toplinu pretvoriti u rad.

Toplinska učinkovitost najveći značaj ima Carnotov ciklus
u usporedbi s učinkovitošću bilo koji ciklus proveden u jednom i
isti temperaturni raspon. Stoga usporedba
toplinska učinkovitost bilo koji ciklus, a Carnotov ciklus vam to dopušta
zaključak o stupnju savršenstva korištenja topline u stroju koji radi u određenom ciklusu.

U stvarnim motorima Carnotov ciklus se ne provodi zbog praktičnosti
poteškoće. Međutim, teorijski i praktični značaj Carnotovog ciklusa je vrlo velik. Služi kao mjerilo za ocjenu izvrsnosti bilo kojeg ciklusa toplinskog motora. .

Reverzibilni Carnotov ciklus, koji se provodi u temperaturnom području T 1 i T 2, prikazan je na Ts dijagramu pravokutnikom 1234 (slika 9).

Slika 9 – Reverzibilni Carnotov ciklus.

Inverzni reverzibilni Carnotov ciklus

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

Slika 10 – Obrnuti Carnotov ciklus.

Radni fluid iz polazne točke 1 širi se duž adijabate 1-4 bez izmjene topline s vanjskom okolinom, dok se temperatura T 1 podiže na T 2 . Nakon toga slijedi daljnje širenje plina duž izoterme 4-3 uz dovođenje topline koja se oduzima izvoru s niskom temperaturom T2. Nakon toga slijedi adijabatska kompresija 3-2 s porastom temperature od T 2 do T 1. Tijekom potonjeg procesa dolazi do izotermne kompresije 2-1, tijekom koje se toplina uklanja u visokotemperaturni hladnjak.

Uzimajući u obzir obrnuti ciklus u cjelini, može se primijetiti da je utrošeni rad vanjske kompresije veći od rada ekspanzije za iznos pl. 14321 unutar linije zatvorene petlje. Taj se rad pretvara u toplinu i zajedno s toplinom prenosi na izvor s temperaturom T 1. Dakle, utrošivši određeni rad na obrnuti ciklus, moguće je prenijeti s prijemnika topline na hladnjak

jedinice topline. U tom slučaju toplina koju prima toplinski prijamnik jednaka je

Stroj koji radi u obrnutom ciklusu naziva se rashladni stroj. Iz razmatranja obrnutog Carnotovog ciklusa možemo zaključiti da prijenos topline s izvora s niskom temperaturom na izvor s visokom temperaturom, kao što slijedi iz Clausiusovog postulata, nužno zahtijeva utrošak energije (ne može se ostvariti kao besplatan proces bez naknade).

Karakteristika učinkovitosti rashladnih strojeva je koeficijent učinka

za obrnuti Carnotov ciklus

Koeficijent hlađenja obrnutog Carnotovog ciklusa ovisi o apsolutnim temperaturama i izvorima topline i ima najveću vrijednost u usporedbi s koeficijentima hlađenja drugih ciklusa koji se javljaju unutar istih temperaturnih raspona

Nakon razmatranja izravnih i obrnutih Carnotovih ciklusa, možemo detaljnije objasniti formulaciju drugog zakona termodinamike koju je dao Clausius.

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

Spontani procesi uključuju: prijenos topline s jače zagrijanog tijela na manje zagrijano; pretvaranje rada u toplinu; međusobna difuzija tekućina ili plinova; širenje plina u svemir itd.

U nespontane procese ubrajamo procese koji su suprotni navedenim spontanim procesima: prijenos topline s manje zagrijanog tijela na jače zagrijano; pretvaranje topline u rad; razdvajanje na sastavne dijelove tvari koje difundiraju jedna u drugu, itd. Mogući su nespontani procesi, ali se nikada ne događaju "sami" bez kompenzacije.

Koji procesi moraju pratiti nespontane procese da bi bili mogući? Temeljito i sveobuhvatno proučavanje fizičkih pojava koje nas okružuju pokazalo je da su nespontani procesi mogući samo kada su popraćeni spontanim procesima. Dakle, spontani proces se može dogoditi "sam od sebe", ne spontan - samo zajedno sa spontanim. Stoga se npr. u svakom izravnom kružnom procesu nespontani proces pretvaranja topline u rad kompenzira istodobnim spontanim procesom prijenosa dijela dovedene topline od prijenosnika topline do prijamnika topline. .

Pri provedbi obrnutog ciklusa moguć je i nespontani proces prijenosa topline s manje zagrijanog tijela na više zagrijano, ali ovdje se kompenzira spontanim procesom pretvaranja rada utrošenog izvana u toplinu.

Dakle, bilo koji nespontani proces može se pojaviti samo kada je popraćen kompenzirajućim spontanim procesom.

Carnotov teorem

Pri izlazu toplinske učinkovitosti Za reverzibilni Carnotov ciklus korištene su relacije koje su vrijedile samo za idealni plin. Stoga, da bi se sve rečeno o Carnotovom ciklusu moglo proširiti na bilo koje stvarne plinove i pare, potrebno je dokazati da toplinska učinkovitost Carnotov ciklus ne ovisi o svojstvima tvari s kojom se ciklus izvodi. Ovo je sadržaj Carnotovog teorema.

Toplina. Utrošeni rad

Isti rezultat dobivamo ako pretpostavimo da je . Dakle, ostaje jedna moguća opcija kada je , a to znači da je i , tj. istinska toplinska učinkovitost. reverzibilni Carnotov ciklus ne ovisi o svojstvima radnog fluida i samo je funkcija temperatura prijenosnika i primatelja topline.

Predavanje br. 6. Predmet i zadaci teorije prijenosa topline

Prema drugom zakonu termodinamike, spontani proces prijenosa topline u prostoru događa se pod utjecajem temperaturne razlike i usmjeren je prema smanjenju temperature. Obrasci prijenosa topline i kvantitativne karakteristike ovog procesa predmet su i zadatak teorijskih istraživanja izmjena topline (prijenos topline).

Doktrina prijenosa topline je proučavanje procesa širenja topline. Njihova posebnost je svestranost, jer su od velike važnosti u gotovo svim granama tehnike.

Toplinska energija se prenosi, kao i svaka druga energija, u smjeru od najvećeg prema najnižem potencijalu. Jer Potencijal toplinske energije je temperatura, tada je proces širenja topline usko povezan s raspodjelom temperature, tj. s takozvanim temperaturnim poljem. Temperaturno polje je skup vrijednosti temperature u prostoru i vremenu. Općenito, temperatura t u bilo kojoj točki prostora je funkcija koordinata x, y, z i vrijeme τ pa će stoga jednadžba temperaturnog polja biti

t = f(x, y, z, τ). (65)

Polje u kojem se temperatura mijenja s vremenom nazivamo nestacionarnim, odn nestacionarno. Ako se temperatura ne mijenja tijekom vremena, tada se polje naziva stacionarno stanje ili stacionarni, a njegova jednadžba će biti

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

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

t = f(x). (67)

Prijenos topline koji se događa u uvjetima nestacionarnog temperaturnog polja naziva se prijenos topline u nestacionarnim uvjetima, te u uvjetima stacionarnog polja prijenos topline u stacionarnom stanju.

Proces prijenosa topline je složen proces koji se sastoji od tri elementarne vrste prijenosa topline - toplinske vodljivosti, konvekcije i toplinskog zračenja (zračenja) (slika 12).

A - toplinska vodljivost; b – konvekcija; a – zračenje

Slika 12 – Vrste prijenosa topline

Drugi zakon termodinamike- jedan od osnovnih zakona fizike, zakon o neraspadu entropije u izoliranom sustavu. Postavlja ograničenja na količinu korisnog rada koji toplinski stroj može izvesti. Na temeljnoj razini, drugi zakon termodinamike određuje smjer procesa u fizičkom sustavu – od reda prema neredu. Postoji mnogo različitih formulacija drugog zakona termodinamike, koje su općenito jedna drugoj ekvivalentne.

1. Formulacija

2. Alternativne formulacije

Gornja formulacija je vrlo formalna. Postoje mnoge alternativne formulacije drugog zakona termodinamike. Na primjer, Planck je predložio ovu formulaciju:

Nemoguće je izgraditi stroj koji bi radio ciklički, hladio izvor topline ili podizao teret, a da ne uzrokuje međutim, nema promjena u priroda.

Nemoguće je pretvoriti toplinu u rad bez obavljanja bilo koje druge radnje osim hlađenja sustava.

Priroda teži prelasku iz stanja s manjom vjerojatnošću ostvarenja u stanja s većom vjerojatnošću ostvarenja.

Nemoguće je stvoriti perpetuum mobile 2. vrste

Spontani prijenos topline s manje zagrijanog na jače zagrijan je nemoguć

Gdje postoji temperaturna razlika, može se raditi

Uobičajene su sljedeće formulacije:

Nemoguće je izgraditi perpetuum mobile druge vrste.

Nemoguće je prenijeti toplinu s hladnog tijela na vruće bez utroška energije.

Svaki sustav ima tendenciju kretanja iz reda u nered.

3. Povijesna pozadina

Drugi zakon termodinamike formuliran je sredinom 19. stoljeća, u vrijeme kada su se stvarale teorijske osnove za projektiranje i konstrukciju toplinskih strojeva. Pokusima Mayera i Joulea utvrđena je ekvivalencija toplinske i mehaničke energije (prvi zakon termodinamike). Postavilo se pitanje učinkovitosti toplinskih strojeva. Eksperimentalne studije su pokazale da se dio topline nužno gubi tijekom rada bilo kojeg stroja.

U 1850-ima, 1860-ima, Clausius je razvio koncept entropije u brojnim publikacijama. Godine 1865. konačno je odabrao ime za novi koncept. Te su publikacije također dokazale da se toplina ne može u potpunosti pretvoriti u koristan rad, čime je formuliran drugi zakon termodinamike.

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

4. Statistička interpretacija

Iz statističke definicije entropije očito je da povećanje entropije odgovara prijelazu u takvo makroskopsko stanje, koje karakterizira najveća vrijednost mikroskopskih stanja.

5. Strijela vremena

Ako je početno stanje termodinamičkog sustava neravnotežno, on se s vremenom pomiče u stanje ravnoteže, povećavajući svoju entropiju. Ovaj proces se odvija samo u jednom smjeru. Obrnuti proces - prijelaz iz ravnotežnog stanja u početno neravnotežno stanje - nije ostvaren. Odnosno, protok vremena dobiva smjer.

Zakoni fizike koji opisuju mikroskopski svijet nepromjenjivi su ako se t zamijeni s -t. Ova izjava vrijedi i za zakone klasične mehanike i za zakone kvantne mehanike. U mikroskopskom svijetu djeluju konzervativne sile, nema trenja, što je rasipanje energije, tj. transformacija drugih vrsta energije u energiju toplinskog gibanja, a to je pak povezano sa zakonom neraspada entropije.

Zamislimo, na primjer, plin u rezervoaru smještenom u velikom spremniku. Ako otvorite ventil manje od spremnika, tada će plin nakon nekog vremena ispuniti veći spremnik tako da se njegova gustoća izjednači. Prema zakonima mikroskopskog svijeta postoji i obrnuti proces, kada se plin iz većeg ležišta skuplja u manjem ležištu. Ali u makroskopskom svijetu to se nikada ne događa.

6. Toplinska smrt

Ako entropija svakog izoliranog sustava s vremenom samo raste, a Svemir je izolirani sustav, onda će jednog dana entropija dosegnuti maksimum, nakon čega će bilo kakve promjene u njemu postati nemoguće.

Takvo razmišljanje, koje se pojavilo nakon uspostavljanja drugog zakona termodinamike, nazvano je toplinska smrt. O ovoj se hipotezi naširoko raspravljalo u 19. stoljeću.

Svaki proces u svijetu dovodi do rasipanja dijela energije i njenog pretvaranja u toplinu, do sve većeg nereda. Naravno, naš je svemir još uvijek prilično mlad. Na primjer, termonuklearni procesi u zvijezdama uzrokuju stalni protok energije prema Zemlji. Zemlja jest i dugo će ostati otvoreni sustav koji dobiva energiju iz raznih izvora: od Sunca, iz procesa radioaktivnog raspada u jezgri itd. U otvorenim sustavima može doći do smanjenja entropije, što dovodi do pojave razne uređene strukture.

Jednostavna formulacija prvog zakona termodinamike može zvučati otprilike ovako: promjena unutarnje energije određenog sustava moguća je samo pod vanjskim utjecajem. Odnosno, drugim riječima, da bi se dogodile neke promjene u sustavu, potrebno je uložiti određene napore izvana. U narodnoj mudrosti, poslovice mogu poslužiti kao jedinstveni izraz prvog zakona termodinamike: "ne teče voda ispod kamena koji leži", "ne možeš bez muke izvući ribu iz bare" i tako dalje. Odnosno, na primjeru poslovice o ribi i radu, možemo zamisliti da je riba naš uvjetno zatvoreni sustav, u njemu se neće dogoditi nikakve promjene (riba se neće izvući iz ribnjaka) bez našeg vanjskog utjecaja i sudjelovanja. (rad).

Zanimljivost: to je prvi zakon termodinamike koji utvrđuje zašto su svi brojni pokušaji znanstvenika, istraživača i izumitelja da izmisle “perpetum mobile” propali, jer je njegovo postojanje po tom zakonu apsolutno nemoguće, zašto, vidi paragraf iznad.

Na početku našeg članka bila je vrlo jednostavna definicija prvog zakona termodinamike, dapače, u akademskoj znanosti postoje čak četiri formulacije suštine ovog zakona:

• Energija se niotkud ne pojavljuje i nigdje ne nestaje, samo prelazi iz jedne vrste u drugu (zakon održanja energije).
• Količina topline koju primi sustav koristi se za obavljanje svog rada protiv vanjskih sila i promjenu unutarnje energije.
• Promjena unutarnje energije sustava pri njegovom prijelazu iz jednog stanja u drugo jednaka je zbroju rada vanjskih sila i količine topline koja je predana sustavu i ne ovisi o načinu na koji se taj prijelaz vrši. provedeno.
• Promjena unutarnje energije neizoliranog termodinamičkog sustava jednaka je razlici između količine topline predane sustavu i rada koji sustav izvrši na vanjske sile.

Formula prvog zakona termodinamike

Formula prvog zakona termodinamike može se napisati na sljedeći način:

Količina topline Q predana sustavu jednaka je zbroju promjene njegove unutarnje energije ΔU i rada A.

Procesi prvog zakona termodinamike

Također, prvi zakon termodinamike ima svoje nijanse ovisno o tekućim termodinamičkim procesima, koji mogu biti izokroni i izobarni, au nastavku ćemo detaljno opisati svaki od njih.

Prvi zakon termodinamike za izohorni proces

U termodinamici, izohorni proces je proces koji se odvija pri konstantnom volumenu. To jest, ako se tvar zagrijava u posudi u plinu ili tekućini, dogodit će se izohorni proces, jer će volumen tvari ostati nepromijenjen. Ovo stanje također utječe na prvi zakon termodinamike, koji se javlja tijekom izohornog procesa.

U izohornom procesu volumen V je konstanta, stoga plin ne vrši nikakav rad A = 0

Iz toga dolazi sljedeća formula:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Ovdje su U (T1) i U (T2) unutarnje energije plina u početnom i završnom stanju. Unutarnja energija idealnog plina ovisi samo o temperaturi (Jouleov zakon). Pri izohornom zagrijavanju plin preuzima toplinu (Q > 0), a njegova unutarnja energija raste. Tijekom hlađenja toplina se prenosi na vanjska tijela (Q< 0).

Prvi zakon termodinamike za izobarni proces

Slično tome, izobarni proces je termodinamički proces koji se odvija u sustavu pri konstantnom tlaku i masi plina. Posljedično, u izobarnom procesu (p = const), rad koji izvrši plin izražen je sljedećom jednadžbom prvog zakona termodinamike:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Prvi izobarni zakon termodinamike daje:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV. Kod izobarne ekspanzije Q > 0, plin apsorbira toplinu, a plin vrši pozitivan rad. Pod izobarnom kompresijom Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Primjena prvog zakona termodinamike

Prvi zakon termodinamike ima praktičnu primjenu na različite procese u fizici, na primjer, omogućuje izračunavanje idealnih parametara plina za različite toplinske i mehaničke procese. Osim čisto praktične primjene, ovaj se zakon može koristiti i filozofski, jer kako god rekli, prvi zakon termodinamike izraz je jednog od najopćenitijih zakona prirode - zakona održanja energije. Propovjednik je također napisao da ništa ne dolazi niotkud i ne odlazi nikamo, sve ostaje zauvijek, stalno se transformira, to je cijela bit prvog zakona termodinamike.

Prvi zakon termodinamike, video

I na kraju našeg članka, predstavljamo vam edukativni video o prvom zakonu termodinamike i unutarnje energije.