Antrasis termodinamikos dėsnis yra paprastas paaiškinimas. Antrasis termodinamikos dėsnis

Antrojo termodinamikos dėsnio apibrėžimas (2 formuluotės):

Kelvino ir Plancko formulė Nėra ciklinio proceso, kuris tam tikroje temperatūroje išgauna tam tikrą šilumos kiekį iš rezervuaro ir visiškai paverčia tą šilumą darbu. (Neįmanoma sukurti periodiškai veikiančios mašinos, kuri nedarytų nieko kito, kaip tik pakelia krovinį ir vėsina šilumos rezervuarą)

Clausius formuluotė Nėra proceso, kurio vienintelis rezultatas būtų šilumos perdavimas iš mažiau įkaitinto kūno į labiau įkaitintą. (Neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų darbo gamyba aušinant šilumos rezervuarą)

Abu antrojo termodinamikos dėsnio apibrėžimai remiasi pirmuoju termodinamikos dėsniu, teigiančiu, kad energija mažėja.

Antrasis dėsnis yra susijęs su entropijos (S) sąvoka.

Entropiją generuoja visi procesai, ji yra susijusi su sistemos gebėjimo atlikti darbą praradimu. Entropijos augimas yra spontaniškas procesas. Jei sistemos tūris ir energija yra pastovūs, tai bet koks sistemos pokytis padidina entropiją. Jei keičiasi sistemos tūris ar energija, sistemos entropija mažėja. Tačiau visatos entropija nemažėja.

Kad energija būtų naudojama, sistemoje turi būti aukšto ir žemo energijos lygio zonos. Naudingas darbas pagamintas dėl energijos perdavimo iš srities su aukštas lygis energiją į zoną, kurioje yra mažas energijos lygis.

• 100% energijos negali paversti darbu
• Entropija gali būti sukurta, bet negali būti sunaikinta

Antrojo termodinamikos dėsnio teiginiai

Jei procesas vyksta uždaroje sistemoje, tai šios sistemos entropija nemažėja. Antrasis termodinamikos dėsnis formulės pavidalu parašytas taip:

\[\int^((1))_((2)\ L)(\dfrac(\delta Q)(T)=\int^(1))_(2))(dS))=S_1 -S_2\le 0\qquad (1),\]

kur S yra entropija; L yra kelias, kuriuo sistema pereina iš vienos būsenos į kitą.

Šioje antrojo termodinamikos dėsnio formuluotėje reikia atkreipti dėmesį į tai, kad nagrinėjama sistema turi būti uždara. Atviroje sistemoje entropija gali elgtis bet kaip (ji gali mažėti, didėti arba išlikti pastovi). Atkreipkite dėmesį, kad entropija nesikeičia uždaroje sistemoje grįžtamųjų procesų metu.

Entropijos padidėjimas uždaroje sistemoje negrįžtamų procesų metu yra termodinaminės sistemos perėjimas iš mažesnės tikimybės būsenų į būsenas su didesne tikimybe. Garsioji Boltzmann formulė pateikia statistinį antrojo termodinamikos dėsnio aiškinimą:

kur k yra Boltzmanno konstanta; w – termodinaminė tikimybė (būdų, kuriais galima realizuoti nagrinėjamos sistemos makrobūseną, skaičius). Taigi antrasis termodinamikos dėsnis yra statistinis dėsnis, susijęs su termodinaminę sistemą sudarančių molekulių šiluminio (chaotiško) judėjimo modelių aprašymu.

Šilumos variklio efektyvumas

Šilumos variklio, veikiančio tarp dviejų energijos lygių, efektyvumas nustatomas absoliučiomis temperatūromis

\[ \eta = \dfrac(T_h - T_c)(T_h) = \frac(1 - T_c )(T_h) \]

čia: η - efektyvumas, T h - viršutinė temperatūros riba (K), T c - apatinė temperatūros riba (K)

Norint pasiekti maksimalų efektyvumą, T c turėtų būti kuo mažesnis. Kad efektas būtų 100%, T c turi būti lygus 0 pagal Kelvino skalę. Praktiškai tai neįmanoma, todėl efektyvumas visada yra mažesnis nei 1 (mažiau nei 100%).

• Entropijos pokytis > 0 Negrįžtama procesas
• Entropijos pokytis = 0 Dvišalis procesas (grįžtamas)
• Entropijos pokytis< 0 Neįmanomas procesas (neįmanomas)

Entropija lemia santykinį vienos sistemos gebėjimą daryti įtaką kitai. Kai energija nukeliauja į dugną energijos lygis, kur mažėja galimybė daryti įtaką aplinkai, didėja entropija.

Entropijos apibrėžimas

Entropija apibrėžiama taip:

\[ S = \dfrac(H)(T) \]

čia: S = entropija (kJ/kg*K), H – entalpija> (kJ/kg), T = absoliuti temperatūra (K)

Sistemos entropijos pasikeitimą sukelia temperatūros turinio pasikeitimas joje. Entropijos pokytis yra lygus sistemos temperatūros pokyčiui, padalintam iš vidutinės absoliučios temperatūros (Ta):

\[ dS = \frac(dH)(T_a) \]

Kiekvieno viso Carnot ciklo verčių (H/T) suma yra 0. Taip yra todėl, kad kiekvienas teigiamas H yra priešingas neigiama prasmė H.

Carnot terminis ciklas

Carnot ciklas yra idealus termodinaminis ciklas.

Šilumos variklyje dujos (grįžtamai) šildomos, o po to atšaldomos. Ciklo modelis yra toks:

1 padėtis -- (izoterminis plėtimasis) → 2 padėtis -- (adiabatinis plėtimasis) → 3 padėtis ---(izoterminis suspaudimas) → 4 padėtis -- (adiabatinis suspaudimas) → 1 padėtis

1 padėtis – 2 padėtis: izoterminis plėtimasis Izoterminis plėtimasis. Proceso pradžioje darbinio skysčio temperatūra yra T h, tai yra šildytuvo temperatūra. Tada kūnas liečiamas su šildytuvu, kuris izotermiškai (pastovioje temperatūroje) perduoda jam šilumos kiekį QH. Tuo pačiu metu didėja darbinio skysčio tūris. Q H =∫Tds = T h (S 2 -S 1) =T h ΔS

2 padėtis – 3 padėtis: adiabatinis išsiplėtimas Adiabatinė (isentropinė) plėtra. Darbinis skystis atsijungia nuo šildytuvo ir toliau plečiasi be šilumos mainų su aplinka. Tuo pačiu metu jo temperatūra sumažėja iki šaldytuvo temperatūros.

3 padėtis – 4 padėtis: izoterminis suspaudimas Izoterminis suspaudimas. Darbinis skystis, kurio temperatūra iki to laiko yra Tc, susiliečia su šaldytuvu ir pradeda izotermiškai spausti, suteikdama šaldytuvui šilumos kiekį Qc. Q c =T c (S 2 -S 1) = T c ΔS

4 padėtis – 1 padėtis: adiabatinis suspaudimas Adiabatinis (isentropinis) suspaudimas. Darbinis skystis atjungiamas nuo šaldytuvo ir suspaudžiamas be šilumos mainų su aplinka. Tuo pačiu metu jo temperatūra pakyla iki šildytuvo temperatūros.

Izoterminių procesų metu adiabatinių procesų metu temperatūra išlieka pastovi, nevyksta šilumos mainai, vadinasi, išsaugoma entropija.

Todėl Carnot ciklą patogu pavaizduoti T ir S koordinatėmis (temperatūra ir entropija).

Termodinamikos dėsniai buvo nustatyti empiriškai (eksperimentiškai). Antrasis termodinamikos dėsnis yra eksperimentų, susijusių su entropija, apibendrinimas. Yra žinoma, kad sistemos dS plius dS aplinką lygus arba didesnis nei 0.

Adiabatiškai izoliuotos sistemos entropija nesikeičia!

„Javascript“ jūsų naršyklėje išjungtas.
Norėdami atlikti skaičiavimus, turite įjungti ActiveX valdiklius!

Paprastas pirmojo termodinamikos dėsnio teiginys gali skambėti maždaug taip: pasikeitimas vidinė energija vienokios ar kitokios sistemos galima tik veikiant išoriniam poveikiui. Kitaip tariant, norint, kad sistemoje įvyktų tam tikri pokyčiai, reikia dėti tam tikras pastangas iš išorės. IN liaudies išmintis Patarlės gali pasitarnauti kaip unikali pirmojo termodinamikos dėsnio išraiška: „vanduo neteka po gulinčiu akmeniu“, „be vargo žuvies iš tvenkinio neištrauksi“ ir pan. Tai yra, pasitelkus patarlės apie žuvis ir darbą pavyzdį, galima įsivaizduoti, kad žuvis yra mūsų sąlyginai uždara sistema, be mūsų išorinės įtakos ir dalyvavimo joje neįvyks pokyčių (žuvis pati neišsitrauks iš tvenkinio). (darbo).

Įdomus faktas: būtent pirmasis termodinamikos dėsnis nustato, kodėl visi daugybė mokslininkų, tyrinėtojų ir išradėjų bandymų išrasti „amžinąjį variklį“ žlugo, nes pagal šį dėsnį jo egzistavimas yra visiškai neįmanomas, kodėl, žr. pastraipą aukščiau.

Mūsų straipsnio pradžioje buvo labai paprastas pirmojo termodinamikos dėsnio apibrėžimas. Tiesą sakant, akademiniame moksle yra net keturios šio dėsnio esmės formuluotės:

• Energija iš niekur neatsiranda ir niekur nedingsta, ji tik pereina iš vienos rūšies į kitą (energijos tvermės dėsnis).
• Sistemos gaunamas šilumos kiekis panaudojamas savo darbui atlikti prieš išorines jėgas ir keisti vidinę energiją.
• Sistemos vidinės energijos pokytis pereinant iš vienos būsenos į kitą yra lygus išorinių jėgų darbo ir sistemai perduodamos šilumos kiekio sumai ir nepriklauso nuo būdo, kuriuo šis perėjimas vyksta. atliko.
• Neizoliuotos termodinaminės sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus skirtumui tarp sistemai perduotos šilumos kiekio ir sistemos atliekamo darbo veikiant išorinėms jėgoms.

Pirmojo termodinamikos dėsnio formulė

Pirmojo termodinamikos dėsnio formulę galima parašyti taip:

Sistemai perduodamas šilumos kiekis Q lygus jos vidinės energijos ΔU ir darbo A pokyčio sumai.

Pirmojo termodinamikos dėsnio procesai

Taip pat pirmasis termodinamikos dėsnis turi savų niuansų, priklausančių nuo vykstančių termodinaminių procesų, kurie gali būti izochroniniai ir izobariniai, o žemiau kiekvieną iš jų detaliai apibūdinsime.

Pirmasis izochorinio proceso termodinamikos dėsnis

Termodinamikoje izochorinis procesas yra procesas, vykstantis esant pastoviam tūriui. Tai yra, jei medžiaga kaitinama inde dujose ar skystyje, įvyks izochorinis procesas, nes medžiagos tūris išliks nepakitęs. Ši sąlyga taip pat turi įtakos pirmajam termodinamikos dėsniui, kuris atsiranda izochorinio proceso metu.

Izochoriniame procese tūris V yra konstanta, todėl dujos neatlieka jokio darbo A = 0

Iš to gaunama tokia formulė:

Q = ΔU = U (T2) – U (T1).

Čia U (T1) ir U (T2) yra pradinės ir galutinės dujų vidinės energijos. Vidinė energija idealios dujos priklauso tik nuo temperatūros (Džaulio dėsnis). Izochorinio kaitinimo metu dujos sugeria šilumą (Q > 0), didėja jų vidinė energija. Aušinimo metu šiluma perduodama išoriniams kūnams (Q< 0).

Pirmasis izobarinio proceso termodinamikos dėsnis

Panašiai izobarinis procesas yra termodinaminis procesas, vykstantis sistemoje esant pastoviam slėgiui ir dujų masei. Vadinasi, izobariniame procese (p = const) dujų atliktas darbas išreiškiamas tokia pirmojo termodinamikos dėsnio lygtimi:

A = p (V2 – V1) = p ΔV.

Izobarinis pirmasis termodinamikos dėsnis suteikia:

Q = U (T2) – U (T1) + p (V2 – V1) = ΔU + p ΔV. Kai izobarinis plėtimasis Q > 0, dujos sugeria šilumą ir dujos atlieka teigiamą darbą. Esant izobariniam suspaudimui Q< 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas

Pirmasis termodinamikos dėsnis yra praktinis naudojimasį įvairius fizikos procesus, pavyzdžiui, leidžia apskaičiuoti idealūs parametrai dujos įvairiuose šiluminiuose ir mechaniniuose procesuose. Be grynai praktinio pritaikymo, šį dėsnį galima panaudoti ir filosofiškai, nes kad ir ką sakytum, pirmasis termodinamikos dėsnis yra vieno iš bendriausių gamtos dėsnių – energijos tvermės dėsnio – išraiška. Ekleziastas taip pat rašė, kad niekas iš niekur neatsiranda ir niekur nedingsta, viskas išlieka amžinai, nuolat transformuojasi, tai yra visa pirmojo termodinamikos dėsnio esmė.

Pirmasis termodinamikos dėsnis, vaizdo įrašas

Ir mūsų straipsnio pabaigoje jūsų dėmesiui mokomasis video apie pirmąjį termodinamikos ir vidinės energijos dėsnį.

Yra keletas antrojo termodinamikos dėsnio formuluočių, kurių autoriai yra vokiečių fizikas, mechanikas ir matematikas Rudolfas Clausius ir britų fizikas ir mechanikas Williamas Thomsonas, Lordas Kelvinas. Išoriškai jie skiriasi, bet jų esmė ta pati.

Klausijaus postulatas

Rudolfas Julius Emmanuelis Clausius

Antrasis termodinamikos dėsnis, kaip ir pirmasis, taip pat buvo išvestas eksperimentiškai. Pirmosios antrojo termodinamikos dėsnio formuluotės autorius yra vokiečių fizikas, mechanikas ir matematikas Rudolfas Clausius.

« Šiluma negali pati savaime pereiti iš šalto kūno į karštą. “ Šis teiginys, kurį Clasius pavadino " terminė aksioma“, suformuluota 1850 metais veikale „Apie varomoji jėgašilumą ir apie dėsnius, kuriuos iš čia galima gauti šilumos teorijai“.„Žinoma, šiluma perduodama tik iš aukštesnės temperatūros kūno į žemesnės temperatūros kūną. Priešinga kryptimi spontaniškas šilumos perdavimas neįmanomas. Tokia ir prasmė Klausijaus postulatas , kuris apibrėžia antrojo termodinamikos dėsnio esmę.

Grįžtamieji ir negrįžtami procesai

Pirmasis termodinamikos dėsnis parodo kiekybinį ryšį tarp sistemos gaunamos šilumos, jos vidinės energijos pokyčio ir sistemos atliekamo darbo išoriniuose kūnuose. Tačiau jis neatsižvelgia į šilumos perdavimo kryptį. Ir galima daryti prielaidą, kad šiluma gali būti perduodama ir iš karšto kūno į šaltą, ir atvirkščiai. Tuo tarpu iš tikrųjų taip nėra. Jei du kūnai liečiasi, tada šiluma visada perduodama iš labiau įkaitusiam kūnui į mažiau šildomą. Be to, šis procesas vyksta savaime. Tokiu atveju išoriniuose kūnuose, supančių besiliečiančius kūnus, pokyčių nevyksta. Toks procesas, kuris vyksta neatliekant darbo iš išorės (be išorinių jėgų įsikišimo), vadinamas spontaniškas . Jis gali būti grįžtamasis Ir negrįžtamas.

Spontaniškai vėsdamas, karštas kūnas perduoda savo šilumą jį supantiems šaltesniems kūnams. O šaltas kūnas natūraliai niekada netaps karštas. Tokiu atveju termodinaminė sistema negali grįžti į pradinę būseną. Šis procesas vadinamas negrįžtamas . Negrįžtami procesai tekėti tik viena kryptimi. Beveik visi spontaniški procesai gamtoje yra negrįžtami, kaip ir laikas yra negrįžtamas.

Grįžtamasis yra termodinaminis procesas, kurio metu sistema pereina iš vienos būsenos į kitą, bet gali grįžti į pradinę būseną pereidama per tarpines pusiausvyros būsenas atvirkštine tvarka. Tokiu atveju visi sistemos parametrai atkuriami į pradinę būseną. Grįžtamieji procesai suteikia daugiausiai darbo. Tačiau iš tikrųjų jie negali būti įgyvendinami, nes jie vyksta be galo lėtai. Praktikoje toks procesas susideda iš ištisinių nuoseklių pusiausvyros būsenų ir vadinamas kvazistatinis. Visi kvazistatiniai procesai yra grįžtami.

Tomsono (Kelvino) postulatas

Viljamas Tomsonas, lordas Kelvinas

Svarbiausias termodinamikos uždavinys yra gauti didžiausią darbo kiekį naudojant šilumą. Darbas lengvai paverčiamas šiluma visiškai be jokios kompensacijos, pavyzdžiui, dėl trinties. Tačiau atvirkštinis šilumos pavertimo darbu procesas nevyksta visiškai ir neįmanomas negaunant papildomos energijos iš išorės.

Reikia pasakyti, kad šilumos perdavimas iš šaltesnio kūno į šiltesnį yra įmanomas. Šis procesas vyksta, pavyzdžiui, mūsų namų šaldytuve. Tačiau tai negali būti spontaniška. Kad jis tekėtų, reikia turėti kompresorių, kuris distiliuotų tokį orą. Tai reiškia, kad atvirkštiniam procesui (aušinimui) reikalingas išorinis energijos tiekimas. “ Neįmanoma be kompensacijos perduoti šilumos iš žemesnės temperatūros kūno ».

1851 m. britų fizikas ir mechanikas Williamas Thomsonas Lordas Kelvinas pateikė kitą antrojo dėsnio formuluotę. Tomsono (Kelvino) postulatas teigia: „Neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų darbo gamyba aušinant šilumos rezervuarą“ . Tai yra, neįmanoma sukurti cikliškai veikiančio variklio, dėl kurio jis gamintų pozityvus darbas dėl sąveikos tik su vienu šilumos šaltiniu. Galų gale, jei tai būtų įmanoma, šilumos variklis galėtų veikti naudodamas, pavyzdžiui, Pasaulio vandenyno energiją ir visiškai ją paversdamas mechaninis darbas. Dėl to vandenynas atvėstų sumažėjus energijai. Tačiau kai tik jo temperatūra buvo žemesnė už aplinkos temperatūrą, turėtų įvykti spontaniškas šilumos perdavimo procesas iš šaltesnio kūno į karštesnį. Tačiau toks procesas neįmanomas. Vadinasi, kad šilumos variklis veiktų, reikia bent dviejų skirtingų temperatūrų šilumos šaltinių.

Antrojo tipo amžinasis variklis

Šilumos varikliuose šiluma paverčiama naudingu darbu tik pereinant nuo įkaitusio korpuso prie šalto. Kad toks variklis veiktų, jame susidaro temperatūrų skirtumas tarp šilumos siųstuvo (šildytuvo) ir šilumos kriauklės (šaldytuvo). Šildytuvas perduoda šilumą darbiniam skysčiui (pavyzdžiui, dujoms). Darbinis skystis plečiasi ir veikia. Tačiau ne visa šiluma paverčiama darbu. Dalis jo perkeliama į šaldytuvą, o dalis, pavyzdžiui, tiesiog patenka į atmosferą. Tada, norint grąžinti darbinio skysčio parametrus į pradines vertes ir pradėti ciklą iš naujo, darbinį skystį reikia pašildyti, tai yra, šilumą reikia pašalinti iš šaldytuvo ir perkelti į šildytuvą. Tai reiškia, kad šilumą reikia perkelti iš šalto kūno į šiltesnį. Ir jei šį procesą būtų galima atlikti netiekiant energijos iš išorės, gautume antros rūšies amžinąjį variklį. Bet kadangi pagal antrąjį termodinamikos dėsnį to padaryti neįmanoma, tai taip pat neįmanoma sukurti antrojo tipo amžinojo varymo mašinos, kuri visiškai paverstų šilumą darbu.

Lygiavertės antrojo termodinamikos dėsnio formulės:

1. Neįmanomas procesas, kurio vienintelis rezultatas yra visos sistemos gaunamos šilumos pavertimas darbu.
2. Neįmanoma sukurti antrojo tipo amžinojo judesio.

Carnot principas

Nicolas Leonardas Sadi Carnot

Bet jei neįmanoma sukurti amžinojo variklio, tai galima organizuoti šilumos variklio darbo ciklą taip, kad efektyvumas (našumo koeficientas) būtų maksimalus.

1824 m., gerokai prieš tai, kai Clausius ir Thomson suformulavo savo postulatus, kurie apibrėžė antrąjį termodinamikos dėsnį, prancūzų fizikas ir matematikas Nicolas Leonardas Sadi Carnot paskelbė savo darbą „Apmąstymai apie ugnies varomąją jėgą ir mašinas, galinčias išvystyti šią jėgą“. Termodinamikoje jis laikomas pagrindiniu. Mokslininkas išanalizavo tuo metu egzistavusias garo mašinas, kurių naudingumo koeficientas siekė vos 2 proc., ir apibūdino idealaus šilumos variklio veikimą.

Vandens variklyje vanduo veikia krisdamas iš aukščio. Pagal analogiją Carnot pasiūlė, kad šiluma taip pat gali atlikti darbą, pereinant nuo karšto kūno prie šaltesnio. Tai reiškia, kad norintŠilumos variklis veikė, jame turi būti 2 skirtingos temperatūros šilumos šaltiniai. Šis teiginys vadinamas Carnot principas . Ir buvo vadinamas mokslininko sukurto šilumos variklio veikimo ciklas Carnot ciklas .

Carnot sugalvojo idealų šilumos variklį, kuris galėtų veikti maksimalus galimas darbas dėl jai tiekiamos šilumos.

Carnot aprašytas šilumos variklis susideda iš šildytuvo, turinčio temperatūrą T N , darbinis skystis ir šaldytuvas su temperatūra T X .

Carnot ciklas yra apvalus grįžtamasis procesas ir apima 4 etapus – 2 izoterminius ir 2 adiabatinius.

Pirmoji pakopa A→B yra izoterminė. Tai vyksta esant tokiai pačiai šildytuvo ir darbinio skysčio temperatūrai T N . Sąlyčio metu šilumos kiekis K H perkeliamas iš šildytuvo į darbinį skystį (dujos balione). Dujos plečiasi izotermiškai ir atlieka mechaninį darbą.

Kad procesas būtų cikliškas (nepertraukiamas), dujos turi būti grąžintos į pradinius parametrus.

Antrame ciklo B→C etape darbinis skystis ir šildytuvas yra atskiriami. Dujos toliau plečiasi adiabatiškai, nekeičiant šilumos su aplinka. Tuo pačiu metu jo temperatūra nukrenta iki šaldytuvo temperatūros T X , ir jis toliau dirba.

Trečiajame etape B → G darbinis skystis, turintis temperatūrą T X , liečiasi su šaldytuvu. Veikiamas išorinės jėgos, jis yra izotermiškai suspaustas ir išskiria šilumos kiekį Q X šaldytuvas. Darbas prie jo vyksta.

Ketvirtajame G→A etape darbinis skystis bus atskirtas nuo šaldytuvo. Veikiamas išorinės jėgos, jis suspaudžiamas adiabatiškai. Darbas prie jo vyksta. Jo temperatūra tampa lygi šildytuvo temperatūrai T N .

Darbinis skystis grįžta į pradinę būseną. Apvalus procesas baigiasi. Prasideda naujas ciklas.

Kūno mašinos, veikiančios pagal Carnot ciklą, efektyvumas yra lygus:

Tokios mašinos efektyvumas nepriklauso nuo jos konstrukcijos. Tai priklauso tik nuo temperatūros skirtumo tarp šildytuvo ir šaldytuvo. O jei šaldytuvo temperatūra yra absoliutus nulis, tai efektyvumas bus 100%. Kol kas nieko geresnio niekam nepavyko sugalvoti.

Deja, praktiškai tokios mašinos sukurti neįmanoma. Tikri grįžtami termodinaminiai procesai gali priartėti prie idealių tik su skirtingu tikslumo laipsniu. Be to, tikrame šilumos variklyje visada bus šilumos nuostolių. Todėl jo efektyvumas bus mažesnis nei idealaus šiluminio variklio, veikiančio pagal Carnot ciklą.

Karno ciklo pagrindu buvo sukurti įvairūs techniniai įrenginiai.

Jei Carnot ciklas atliekamas atvirkštine tvarka, gausite šaldymo mašiną. Galų gale, darbinis skystis pirmiausia paims šilumą iš šaldytuvo, tada pavers ciklui sukurtą darbą šiluma, o tada atiduos šią šilumą šildytuvui. Šiuo principu veikia šaldytuvai.

Atvirkštinis Carnot ciklas taip pat yra šilumos siurblių pagrindas. Tokie siurbliai perduoda energiją iš žemos temperatūros šaltinių aukštesnės temperatūros vartotojui. Tačiau skirtingai nei šaldytuve, kuriame išgauta šiluma išleidžiama į aplinką, šilumos siurblyje ji perduodama vartotojui.

Antrasis termodinamikos dėsnis

Istoriškai antrasis termodinamikos dėsnis atsirado analizuojant šilumos variklių veikimą (S. Carnot, 1824). Yra keletas lygiaverčių formulių. Pats pavadinimas „antrasis termodinamikos dėsnis“ ir istoriškai pirmoji jo formuluotė (1850 m.) priklauso R. Klausiui.

Pirmasis termodinamikos dėsnis, išreiškiantis energijos tvermės ir transformacijos dėsnį, neleidžia mums nustatyti termodinaminių procesų krypties. Be to, galima įsivaizduoti daugybę pirmajam principui neprieštaraujančių procesų, kuriuose tausojama energija, tačiau gamtoje jie nevyksta.

Patirtis tai rodo skirtingi tipai energijos yra nevienodos savo gebėjimu paversti kitų rūšių energija. Mechaninė energija gali būti visiškai paversta bet kurio kūno vidine energija. Yra tam tikrų apribojimų atvirkštiniam vidinės energijos pavertimui kitomis rūšimis: vidinės energijos tiekimas jokiu būdu negali būti visiškai paverstas kitų rūšių energija. Pastebėti energijos virsmų bruožai yra susiję su gamtoje vykstančių procesų kryptimi.

Antrasis termodinamikos dėsnis yra principas, nustatantis makroskopinių procesų, vykstančių ribotu greičiu, negrįžtamumą.

Skirtingai nuo grynai mechaninių (be trinties) arba elektrodinaminių (be Džaulio šilumos išsiskyrimo) grįžtamųjų procesų, procesai, susiję su šilumos mainais esant ribotam temperatūrų skirtumui (t. y. teka baigtiniu greičiu), su trintimi, dujų difuzija, dujų išsiplėtimu į tuštuma , Džaulio šilumos išsiskyrimas ir kt., yra negrįžtami, t.y. gali savaime tekėti tik viena kryptimi.

Antrasis termodinamikos dėsnis atspindi gamtos procesų kryptį ir nustato apribojimus galimoms energijos virsmo kryptims makroskopinėse sistemose, nurodydamas, kurie procesai gamtoje galimi, o kurie ne.

Antrasis termodinamikos dėsnis yra postulatas, kurio negalima įrodyti termodinamikos rėmuose. Jis buvo sukurtas remiantis eksperimentinių faktų apibendrinimu ir sulaukė daugybės eksperimentinių patvirtinimų.

Antrojo termodinamikos dėsnio teiginiai

1). Carnot formulė: didžiausias šilumos variklio efektyvumas nepriklauso nuo darbinio skysčio tipo ir yra visiškai nulemtas ribinių temperatūrų, tarp kurių veikia mašina.

2). Clausius formuluotė: neįmanomas procesas, kurio vienintelis rezultatas yra energijos perdavimas šilumos pavidalu iš mažiau įkaitinto kūno, į šiltesnį kūną.

Antrasis termodinamikos dėsnis nedraudžia perduoti šilumą iš mažiau šildomo kūno į labiau įkaitintą. Šis perėjimas atliekamas šaldymo mašinoje, bet tuo pačiu metu išorinės jėgos atlikti sistemos darbus, t.y. šis perėjimas nėra vienintelis proceso rezultatas.

3). Kelvino formulė: žiedinis procesas neįmanomas, kurio vienintelis rezultatas yra šilumos konversija, gautas iš šildytuvo, į lygiavertį darbą.

Iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti, kad ši formuluotė prieštarauja idealių dujų izoterminiam plėtimuisi. Iš tiesų visa šiluma, kurią idealios dujos gauna iš kurio nors kūno, visiškai paverčiama darbu. Tačiau šilumos gavimas ir pavertimas darbu nėra vienintelis galutinis proceso rezultatas; Be to, dėl proceso pasikeičia dujų tūris.

P.S.: reikia atkreipti dėmesį į žodžius „vienintelis rezultatas“; antrojo principo draudimai panaikinami, jei nagrinėjami procesai nėra vieninteliai.

4). Ostvaldo formuluotė: antrojo tipo amžinojo varymo mašinos įgyvendinimas neįmanomas.

Antrosios rūšies amžinasis variklis yra periodiškai veikiantis įrenginys, kuris veikia vėsindamas vieną šilumos šaltinį.

Tokio variklio pavyzdys būtų laivo variklis, kuris ima šilumą iš jūros ir panaudoja ją laivui varyti. Toks variklis būtų praktiškai amžinas, nes... Energijos tiekimas aplinkoje yra praktiškai neribotas.

Statistinės fizikos požiūriu antrasis termodinamikos dėsnis yra statistinio pobūdžio: jis galioja labiausiai tikėtinui sistemos elgesiui. Svyravimai neleidžia tiksliai jį įgyvendinti, tačiau bet kokio reikšmingo pažeidimo tikimybė yra labai maža.

Entropija

Sąvoką „entropija“ į mokslą įvedė R. Klausius 1862 m. ir ji suformuota iš dviejų žodžių: „ lt"- energija", tropas- Suku.

Pagal nulinį termodinamikos dėsnį izoliuota termodinaminė sistema laikui bėgant spontaniškai patenka į termodinaminės pusiausvyros būseną ir išlieka joje neribotą laiką, jei išorinės sąlygos nesikeičia.

Pusiausvyros būsenoje visų rūšių energija sistemoje paverčiama šilumine energija dėl chaotiško atomų ir molekulių, sudarančių sistemą, judėjimo. Tokioje sistemoje jokie makroskopiniai procesai neįmanomi.

Entropija yra kiekybinis izoliuotos sistemos perėjimo į pusiausvyros būseną matas. Sistemai pereinant į pusiausvyros būseną, jos entropija didėja ir pasiekia maksimumą, kai pasiekiama pusiausvyros būsena.

Entropija yra termodinaminės sistemos būsenos funkcija, žymima: .

Teorinis kontekstas: sumažintas karštis,entropija

Iš Carnot ciklo efektyvumo išraiškos: iš to seka, kad arba , kur yra šilumos kiekis, kurį darbinis skystis atiduoda į šaldytuvą, priimame: .

Tada paskutinis ryšys gali būti parašytas taip:

Šilumos, kurią kūnas gauna izoterminio proceso metu, santykis su šilumą išskiriančio kūno temperatūra vadinamas sumažintas šilumos kiekis:

Atsižvelgiant į (2) formulę, (1) formulė gali būti pavaizduota taip:

tie. Carnot ciklo sumažintų šilumos kiekių algebrinė suma lygi nuliui.

Sumažėjęs šilumos kiekis, perduodamas kūnui per be galo mažą proceso dalį: .

Nurodytas šilumos kiekis savavališkam plotui:

Griežtas teorinė analizė rodo, kad bet kurio grįžtamojo žiedinio proceso atveju sumažintų šilumos kiekių suma yra lygi nuliui:

Iš to, kad integralas (4) yra lygus nuliui, išplaukia, kad integralas yra visiškas kokios nors funkcijos diferencialas, kurį lemia tik sistemos būsena ir nepriklauso nuo kelio, kuriuo sistema atėjo iki šios funkcijos. būsena:

Vienareikšmė būsenos funkcija, kurių bendras skirtumas yra ,vadinama entropija .

Formulė (5) galioja tik grįžtamiems procesams esant nebalansiniams negrįžtamiems procesams, toks vaizdavimas yra neteisingas.

Entropijos savybės

1). Entropija nustatoma iki savavališkos konstantos. Fizinė prasmė turi ne pačią entropiją, o skirtumą tarp dviejų būsenų entropijų:

. (6)

Pavyzdys: jei sistema (idealios dujos) atlieka pusiausvyros perėjimą iš 1 būsenos į būseną 2, tada entropijos pokytis yra lygus:

,

Kur; .

tie. idealių dujų entropijos pokytis joms pereinant iš 1 būsenos į 2 būseną nepriklauso nuo pereinamojo proceso tipo.

Apskritai (6) formulėje entropijos prieaugis nepriklauso nuo integravimo kelio.

2) Absoliučią entropijos vertę galima nustatyti naudojant trečiąjį termodinamikos dėsnį (Nernsto teorema):

Bet kurio kūno entropija linkusi į nulį, nes jo temperatūra linkusi į absoliutų nulį: .

Taigi pradinis entropijos atskaitos taškas imamas ties .

3). Entropija yra adityvus dydis, t.y. Kelių kūnų sistemos entropija yra kiekvieno kūno entropijų suma: .

4). Kaip ir vidinė energija, entropija yra termodinaminės sistemos parametrų funkcija .

5), Procesas, vykstantis esant pastoviai entropijai, vadinamas izentropinis.

Pusiausvyros procesuose be šilumos perdavimo entropija nekinta.

Visų pirma, grįžtamasis adiabatinis procesas yra izentropinis: jam ; , t.y. .

6). Esant pastoviam tūriui, entropija yra monotoniškai didėjanti kūno vidinės energijos funkcija.

Iš tiesų, iš pirmojo termodinamikos dėsnio išplaukia, kad kai turime: , Tada . Bet temperatūra visada yra. Todėl prieaugiai turi tą patį ženklą, kurį reikia įrodyti.

Entropijos kitimo įvairiuose procesuose pavyzdžiai

1). Idealiųjų dujų izobarinio plėtimosi metu

2). Izochorinės idealių dujų plėtimosi metu

3). Idealiųjų dujų izoterminio plėtimosi metu

.

4). Fazių perėjimų metu

Pavyzdys: raskite entropijos pokytį, kai ledo masė esant temperatūrai virsta garais.

Sprendimas

Pirmasis termodinamikos dėsnis: .

Iš Mendelejevo – Klepeirono lygties seka: .

Tada pirmojo termodinamikos dėsnio išraiškos bus tokios formos:

.

Pereinant iš vienos agregacijos būsenos į kitą, bendras entropijos pokytis susideda iš atskirų procesų pokyčių:

A). Ledo kaitinimas nuo temperatūros iki lydymosi temperatūros:

, kur yra ledo savitoji šiluminė talpa.

B). Tirpstantis ledas: , kur yra specifinė ledo tirpimo šiluma.

IN). Vandens šildymas nuo temperatūros iki virimo taško:

, kur yra vandens savitoji šiluminė talpa.

G). Vandens išgarinimas: , kur yra savitoji vandens garavimo šiluma.

Tada bendras entropijos pokytis yra:

Entropijos didinimo principas

Uždarosios sistemos entropija bet kuriai joje vykstantys procesai nesumažėja:

arba galutiniam procesui: , todėl: .

Lygybės ženklas reiškia grįžtamąjį procesą, nelygybės ženklas – negrįžtamą procesą. Paskutinės dvi formulės yra antrojo termodinamikos dėsnio matematinė išraiška. Taigi „entropijos“ sąvokos įvedimas leido griežtai matematiškai suformuluoti antrąjį termodinamikos dėsnį.

Negrįžtami procesai lemia pusiausvyros būseną. Šioje būsenoje izoliuotos sistemos entropija pasiekia maksimumą. Tokioje sistemoje jokie makroskopiniai procesai neįmanomi.

Entropijos pokyčio dydis yra kokybinė proceso negrįžtamumo laipsnio charakteristika.

Izoliuotoms sistemoms taikomas entropijos didinimo principas. Jei sistema nėra izoliuota, jos entropija gali sumažėti.

Išvada: nes Kadangi visi realūs procesai yra negrįžtami, tai visi procesai uždaroje sistemoje padidina jos entropiją.

Teorinis principo pagrindimas

Panagrinėkime uždarą sistemą, susidedančią iš šildytuvo, šaldytuvo, darbinio skysčio ir atliekamo darbo „vartotojo“ (kūno, kuris keičia energiją su darbiniu skysčiu tik darbo pavidalu), atliekančią Karno ciklą. Tai yra grįžtamasis procesas, kurio entropijos pokytis yra lygus:

,

kur yra darbinio skysčio entropijos pokytis; – šildytuvo entropijos pokytis; – šaldytuvo entropijos pasikeitimas; – kūrinio „vartotojo“ entropijos pokytis.

Antrasis dėsnis siejamas su entropijos sąvoka, kuri yra chaoso matas (arba tvarkos matas). Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad visos visatos entropija didėja.

Yra du klasikiniai apibrėžimai Antrasis termodinamikos dėsnis:

1. Kelvinas ir Plankas: Nėra ciklinio proceso, kuris tam tikroje temperatūroje išgauna tam tikrą šilumos kiekį iš rezervuaro ir visiškai paverčia tą šilumą darbu. (Neįmanoma sukurti periodiškai veikiančios mašinos, kuri nedarytų nieko kito, kaip tik pakelia krovinį ir vėsina šilumos rezervuarą)
2. Klausius: Nėra proceso, kurio vienintelis rezultatas būtų šilumos kiekio perdavimas iš mažiau šildomo kūno į labiau įkaitintą. (Neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas būtų darbo gamyba aušinant šilumos rezervuarą)

Abu antrojo termodinamikos dėsnio apibrėžimai remiasi pirmuoju termodinamikos dėsniu, teigiančiu, kad energija mažėja. Antrasis dėsnis yra susijęs su sąvoka entropija (S).

Entropija generuoja visi procesai, tai siejama su sistemos gebėjimo atlikti darbą praradimu. Entropijos augimas yra spontaniškas procesas. Jei sistemos tūris ir energija yra pastovūs, tai bet koks sistemos pokytis padidina entropiją. Jei keičiasi sistemos tūris ar energija, sistemos entropija mažėja. Tačiau visatos entropija nemažėja.

Kad energija būtų naudojama, sistemoje turi būti aukšto ir žemo energijos lygio zonos. Naudingą darbą atlieka energijos perkėlimas iš didelio energijos lygio į žemo energijos lygio sritį.

• 100% energijos negali paversti darbu
• Entropija gali būti sukurta, bet negali būti sunaikinta

Šilumos variklio efektyvumas

Šilumos variklio, veikiančio tarp dviejų energijos lygių, efektyvumas nustatomas absoliučiomis temperatūromis

• η = (T h - T c) / T h = 1 - T c / T h
  • η = efektyvumas
  • T h = viršutinė riba (K)
  • T c = apatinė temperatūros riba (K)

Norint pasiekti maksimalų efektyvumą, T c turėtų būti kuo mažesnis. Kad efektas būtų 100%, T c turi būti lygus 0 pagal Kelvino skalę. Praktiškai tai neįmanoma, todėl efektyvumas visada yra mažesnis nei 1 (mažiau nei 100%).

• Entropijos pokytis > 0 Negrįžtama procesas
• Entropijos pokytis = 0 Dvišalis procesas (grįžtamas)
• Entropijos pokytis< 0 Neįmanomas procesas (neįmanomas)

Entropija lemia santykinį vienos sistemos gebėjimą daryti įtaką kitai. Energijai pereinant į žemesnį energijos lygį, kur mažėja poveikio aplinkai potencialas, didėja entropija.

Entropijos apibrėžimas

Entropija pastovaus tūrio sistemoje apibrėžiama taip:

• dS = dH/T
  • S = entropija (kJ/kg*K)
  • H = (kJ/kg) (kartais vietoj dH rašoma dQ = sistemai perduodamos šilumos kiekis)
  • T = absoliuti temperatūra (K - )

Sistemos entropijos pasikeitimą sukelia šilumos kiekio joje pasikeitimas. Entropijos pokytis yra lygus sistemos šilumos pokyčiui, padalintam iš vidutinės absoliučios temperatūros (Ta):

Carnot terminis ciklas. Carnot ciklas yra idealus termodinaminis ciklas.

dS = dH / T a Kiekvieno viso Carnot ciklo verčių suma (dH / T) yra 0. Taip yra todėl, kad kiekvienam teigiamam H yra priešinga neigiama H vertė.

Šilumos variklyje dujos (grįžtamai) šildomos, o po to atšaldomos. Ciklo modelis yra toks: 1 padėtis --() -> 2 padėtis --() -> 3 padėtis --(izoterminis suspaudimas) -> 4 padėtis --(adiabatinis suspaudimas) -> 1 padėtis

• 1 padėtis – 2 padėtis: izoterminis plėtimasis
  • Izoterminis plėtimasis. Proceso pradžioje darbinio skysčio temperatūra yra T h, tai yra šildytuvo temperatūra. Tada kūnas liečiamas su šildytuvu, kuris izotermiškai (pastovioje temperatūroje) perduoda jam šilumos kiekį QH. Tuo pačiu metu didėja darbinio skysčio tūris. Q H =∫Tds = T h (S 2 -S 1) =T h ΔS
• 2 padėtis – 3 padėtis: adiabatinis išsiplėtimas
  • Adiabatinė (isentropinė) plėtra. Darbinis skystis atjungiamas nuo šildytuvo ir toliau plečiasi be šilumos mainų su aplinka. Tuo pačiu metu jo temperatūra sumažėja iki šaldytuvo temperatūros.
• 3 padėtis – 4 padėtis: izoterminis suspaudimas
  • Izoterminis suspaudimas. Darbinis skystis, kurio temperatūra iki to laiko yra Tc, susiliečia su šaldytuvu ir pradeda izotermiškai spausti, suteikdama šaldytuvui šilumos kiekį Qc. Q c =T c (S 2 -S 1) = T c ΔS
• 4 padėtis – 1 padėtis: adiabatinis suspaudimas
  • Adiabatinis (isentropinis) suspaudimas. Darbinis skystis atjungiamas nuo šaldytuvo ir suspaudžiamas be šilumos mainų su aplinka. Tuo pačiu metu jo temperatūra pakyla iki šildytuvo temperatūros.

Izoterminių procesų metu adiabatinių procesų metu temperatūra išlieka pastovi, nevyksta šilumos mainai, vadinasi, išsaugoma entropija. Todėl Carnot ciklą patogu pavaizduoti T ir S koordinatėmis (temperatūra ir entropija). Termodinamikos dėsniai buvo nustatyti empiriškai (eksperimentiškai). Antrasis termodinamikos dėsnis yra eksperimentų, susijusių su entropija, apibendrinimas. Yra žinoma, kad sistemos dS plius aplinkos dS yra lygus arba didesnis nei 0 - nemažėjančios entropijos dėsnis . Adiabatiškai izoliuotos sistemos entropija nesikeičia! 100 o C (373 K) adresu garavimas = 2 258 kJ/kg

• Specifinės entropijos pokytis:
• dS = dH / T a = (2 258 - 0) / ((373 + 373)/2) = 6.054 kJ/kg*K

Bendras vandens garavimo savitosios entropijos pokytis yra vandens specifinės entropijos (esant 0 o C) ir garų savitosios entropijos (esant 100 o C temperatūrai) suma.