Kdo je uvedel 2. zakon termodinamike. II. Molekularna fizika

Kako nastaja energija, kako se pretvarja iz ene oblike v drugo in kaj se zgodi z energijo v zaprtem sistemu? Zakoni termodinamike bodo pomagali odgovoriti na vsa ta vprašanja. Danes bomo podrobneje obravnavali drugi zakon termodinamike.

Zakoni v vsakdanjem življenju

Zakoni urejajo vsakdanje življenje. Prometna zakonodaja pravi, da se morate ustaviti pred znaki stop. Državni delavci morajo del svojih plač zagotoviti državni in zvezni vladi. Tudi znanstveni veljajo za vsakdanjem življenju. Na primer, zakon gravitacije napoveduje precej slab izid za tiste, ki poskušajo leteti. Drugi komplet znanstveni zakoni ki vplivajo na vsakdanje življenje, so zakoni termodinamike. Tako lahko navedemo številne primere, da vidimo, kako vplivajo na vsakdanje življenje.

Prvi zakon termodinamike

Prvi zakon termodinamike pravi, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti, lahko pa jo pretvorimo iz ene oblike v drugo. To se včasih imenuje tudi zakon o ohranitvi energije. Torej, kako je to povezano z vsakdanjim življenjem? No, vzemite za primer računalnik, ki ga uporabljate zdaj. Hrani se z energijo, toda od kod prihaja ta energija? Prvi zakon termodinamike nam pove, da ta energija ne more priti iz zraka, torej je prišla od nekje.

To energijo lahko spremljate. Računalnik poganja elektrika, toda od kod prihaja ta elektrika? Tako je, iz elektrarne ali hidroelektrarne. Če upoštevamo drugo, bo to povezano z jezom, ki zadržuje reko. Reka je povezana s kinetično energijo, kar pomeni, da reka teče. Jez to kinetično energijo pretvori v potencialno.

Kako deluje hidroelektrarna? Voda se uporablja za vrtenje turbine. Ko se turbina vrti, se poganja generator, ki ustvarja elektriko. Ta elektrika se lahko v celoti prenaša po žicah od elektrarne do vašega doma, tako da, ko napajalni kabel priključite v električno vtičnico, elektrika teče v vaš računalnik, da lahko deluje.

Kaj se je zgodilo tukaj? Obstajala je že določena količina energije, ki je bila povezana z vodo v reki kot kinetična energija. Potem se je spremenila v potencialno energijo. Jez je nato vzel to potencialno energijo in jo pretvoril v elektriko, ki bi nato lahko šla v vaš dom in napajala vaš računalnik.

Drugi zakon termodinamike

S preučevanjem tega zakona lahko razumemo, kako energija deluje in zakaj se vse premika proti možnemu kaosu in neredu. Drugi zakon termodinamike imenujemo tudi zakon entropije. Ste se kdaj vprašali, kako je nastalo vesolje? Po teoriji Veliki pok, preden se je rodilo vse okoli, se je združilo ogromno energije. Po velikem poku se je pojavilo vesolje. Vse to je dobro, ampak kakšna energija je bila to? Na začetku časa je bila vsa energija v vesolju vsebovana na enem relativno majhnem mestu. Ta intenzivna koncentracija je predstavljala ogromno količino tako imenovane potencialne energije. Sčasoma se je razširilo povsod ogromen prostor našega vesolja.

V veliko manjšem obsegu zbiralnik vode, ki ga zadržuje jez, vsebuje potencialno energijo, ker njegova lokacija omogoča, da teče skozi jez. V vsakem primeru se shranjena energija, ko se sprosti, razširi brez kakršnega koli napora. Z drugimi besedami, sproščanje potencialne energije je spontan proces, ki se zgodi brez potrebe po dodatnih virih. Ko se energija širi, se del pretvori v koristno energijo in opravi nekaj dela. Preostanek se pretvori v neuporabno energijo, preprosto imenovano toplota.

Ker se vesolje še naprej širi, vsebuje vedno manj koristne energije. Če je na voljo manj uporaben, manj dela mogoče storiti. Ker voda teče skozi jez, vsebuje tudi manj koristne energije. To zmanjšanje uporabne energije skozi čas imenujemo entropija, kjer je entropija količina neporabljene energije v sistemu, sistem pa je preprosto zbirka predmetov, ki sestavljajo celoto.

Entropijo lahko imenujemo tudi količina naključnosti ali kaosa v organizaciji brez organizacije. Ker se koristna energija sčasoma zmanjšuje, se povečujeta neorganiziranost in kaos. Ko se torej akumulirana potencialna energija sprosti, se vsa ne pretvori v koristno energijo. Vsi sistemi sčasoma doživljajo to povečanje entropije. To je zelo pomembno razumeti in ta pojav imenujemo drugi zakon termodinamike.

Entropija: naključnost ali napaka

Kot ste morda uganili, drugi zakon sledi prvemu, ki se običajno imenuje zakon o ohranitvi energije in pravi, da energije ni mogoče ustvariti in je ni mogoče uničiti. Z drugimi besedami, količina energije v vesolju ali katerem koli sistemu je stalna. Drugi zakon termodinamike se običajno imenuje zakon entropije in pravi, da s časom postaja energija manj uporabna in njena kakovost se sčasoma zmanjšuje. Entropija je stopnja naključnosti ali napak, ki jih ima sistem. Če je sistem zelo neurejen, ima visoko entropijo. Če je v sistemu veliko napak, je entropija nizka.

Govorjenje s preprostimi besedami, drugi zakon termodinamike pravi, da se entropija sistema s časom ne more zmanjšati. To pomeni, da se v naravi stvari premikajo iz stanja urejenosti v stanje nereda. In to je nepovratno. Sistem nikoli ne bo postal bolj urejen sam od sebe. Z drugimi besedami, v naravi entropija sistema vedno narašča. Eden od načinov razmišljanja o tem je vaš dom. Če ga nikoli ne očistite in posesate, boste kmalu imeli grozen nered. Entropija se je povečala! Da bi ga zmanjšali, morate porabiti energijo za uporabo sesalnika in krpe za čiščenje prahu s površine. Hiša se ne bo očistila sama.

Kaj je drugi zakon termodinamike? Preprosta formulacija pravi, da ko energija prehaja iz ene oblike v drugo, se materija prosto giblje ali pa se poveča entropija (nered) v zaprtem sistemu. Razlike v temperaturi, tlaku in gostoti se čez nekaj časa vodoravno izravnajo. Zaradi gravitacije se gostota in tlak navpično ne izenačita. Gostota in pritisk na dnu bosta večja kot na vrhu. Entropija je merilo širjenja snovi in ​​energije, kamor ima dostop. Najpogostejša formulacija drugega zakona termodinamike je povezana predvsem z Rudolfom Clausiusom, ki je rekel:

Nemogoče je izdelati napravo, ki ne bi imela drugega učinka kot prenos toplote s telesa z nižjo temperaturo na telo z višjo temperaturo.

Z drugimi besedami, vse poskuša ohraniti isto temperaturo skozi čas. Obstaja veliko formulacij drugega zakona termodinamike, ki uporabljajo različne izraze, vendar vsi pomenijo isto stvar. Še ena Clausiusova izjava:

Toplota sama po sebi ne prehaja iz hladnejšega telesa v bolj vroče telo.

Drugi zakon velja samo za velike sisteme. Zadeva verjetno obnašanje sistema, v katerem ni energije ali snovi. Večji kot je sistem, bolj verjeten je drugi zakon.

Drugo besedilo zakona:

Celotna entropija se vedno poveča v spontanem procesu.

Povečanje entropije ΔS med procesom mora presegati ali biti enako razmerju med količino toplote Q, ki se prenese v sistem, in temperaturo T, pri kateri se toplota prenese.

Termodinamični sistem

IN v splošnem smislu Izjava drugega zakona termodinamike na preprost način navaja, da se temperaturne razlike med sistemi, ki so med seboj v stiku, nagibajo k izenačevanju in da je mogoče iz teh neravnovesnih razlik pridobiti delo. Toda hkrati se toplotna energija izgubi, entropija pa se poveča. Razlike v tlaku, gostoti in temperaturi se ponavadi izenačijo, če je za to priložnost; Od gravitacije sta odvisna gostota in tlak, ne pa temperatura. Toplotni stroj je mehanska naprava, ki zaradi temperaturne razlike dveh teles povzroči koristno delo.

Termodinamični sistem je tisti, ki sodeluje in izmenjuje energijo z okolico. Menjava in prenos morata potekati na vsaj dva načina. Eden od načinov mora biti prenos toplote. Če je termodinamični sistem "v ravnovesju", ne more spremeniti svojega stanja ali statusa brez interakcije z okoljem. Preprosto povedano, če ste v ravnovesju, ste "srečen sistem", nič ne morete narediti. Če hočeš nekaj narediti, moraš komunicirati s svetom okoli sebe.

Drugi zakon termodinamike: ireverzibilnost procesov

Nemogoče je imeti cikličen (ponavljajoč se) proces, ki popolnoma pretvori toploto v delo. Prav tako je nemogoče imeti proces, ki prenaša toploto s hladnih na tople predmete brez uporabe dela. Nekaj ​​energije pri reakciji se vedno izgubi zaradi segrevanja. Poleg tega sistem ne more pretvoriti vse svoje energije v delovna energija. Drugi del zakona je bolj očiten.

Hladno telo ne more ogreti toplega telesa. Toplota naravno teče iz toplejših v hladnejše predele. Če se toplota premika od hladnejših k višjim temperaturam, je to v nasprotju s tem, kar je "naravno", zato mora sistem narediti nekaj dela, da se to zgodi. v naravi - drugi zakon termodinamike. To je morda najbolj znan (vsaj med znanstveniki) in pomemben zakon v vsej znanosti. Ena od njegovih formulacij:

Entropija vesolja teži k svojemu maksimumu.

Z drugimi besedami, entropija ostane enaka ali pa se poveča; entropija vesolja se nikoli ne more zmanjšati. Težava je v tem, da je to vedno res. Če vzamete stekleničko parfuma in z njo razpršite prostor, bodo dišeči atomi kmalu zapolnili ves prostor in ta proces je nepovraten.

Odnosi v termodinamiki

Zakoni termodinamike opisujejo razmerja med toplotno energijo ali toploto in drugimi oblikami energije ter kako energija vpliva na snov. Prvi zakon termodinamike pravi, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti; skupna količina energija v vesolju ostaja nespremenjena. Drugi zakon termodinamike se ukvarja s kakovostjo energije. Navaja, da se s prenosom ali pretvarjanjem energije izgublja vedno več koristne energije. Drugi zakon tudi navaja, da obstaja naravna težnja, da vsak izoliran sistem postane bolj neurejen.

Tudi ko se naročilo poveča določeno mestoče upoštevaš celoten sistem, vključno z okoljem, vedno pride do povečanja entropije. V drugem primeru lahko nastanejo kristali iz raztopine soli, ko voda izhlapi. Kristali so bolj urejeni kot molekule soli v raztopini; vendar je izhlapela voda veliko bolj neurejena kot tekoča voda. Celoten proces povzroči neto povečanje nereda.

Delo in energija

Drugi zakon pojasnjuje, da toplotne energije ni mogoče pretvoriti v mehansko s 100-odstotnim izkoristkom. Lahko navedete primer z avtomobilom. Po postopku segrevanja plina, da se poveča njegov tlak za pogon bata, v plinu vedno ostane nekaj toplote, ki je ni mogoče uporabiti za izvajanje dodatno delo. To odpadno toploto je treba zavrniti s prenosom na radiator. Pri avtomobilskem motorju se to izvede tako, da se mešanica izrabljenega goriva in zraka odvzame v ozračje.

Poleg tega vsaka naprava z gibljivimi deli ustvarja trenje, ki pretvarja mehansko energijo v toploto, ki je običajno neuporabna in jo je treba odstraniti iz sistema s prenosom v hladilno telo. Ko prideta vroče in hladno telo v stik drug z drugim, bo toplotna energija tekla od vročega telesa k hladnemu telesu, dokler ne dosežeta toplotnega ravnovesja. Vendar se toplota nikoli ne bo vrnila v drugo smer; temperaturna razlika med dvema telesoma se nikoli ne bo povečala spontano. Prenos toplote od hladnega telesa k vročemu zahteva delo, ki ga mora opraviti zunanji vir energije, kot je toplotna črpalka.

Usoda vesolja

Drugi zakon napoveduje tudi konec vesolja. To je najvišja stopnja nereda, če je povsod stalno toplotno ravnovesje, ni mogoče opraviti nobenega dela in vsa energija se bo končala kot naključno gibanje atomov in molekul. Po sodobnih podatkih je Metagalaksija nestacionaren sistem, ki se širi, o toplotni smrti vesolja ni mogoče govoriti. Toplotna smrt je stanje toplotnega ravnovesja, v katerem prenehajo vsi procesi.

To stališče je napačno, saj drugi zakon termodinamike velja le za zaprte sisteme. Vesolje pa je, kot vemo, neomejeno. Vendar pa se sam izraz "toplotna smrt vesolja" včasih uporablja za označevanje scenarija za prihodnji razvoj vesolja, po katerem se bo vesolje v nedogled širilo v temo vesolja, dokler se ne spremeni v raztresen hladen prah.

Drugi zakon termodinamike. Entropija.

Drugi zakon je povezan s konceptom entropije, ki je merilo kaosa (ali merilo reda). Drugi zakon termodinamike pravi, da se za vesolje kot celoto entropija povečuje.

Dva sta klasične definicije drugi zakon termodinamike:

• Kelvin in Planck

Ni cikličnega procesa, ki bi odvzel količino toplote iz rezervoarja pri določeni temperaturi in to toploto popolnoma pretvoril v delo. (Nemogoče je zgraditi redno delujoč stroj, ki ne počne nič drugega kot dvigovanje bremena in hlajenje rezervoarja toplote)

• Clausius

Ni procesa, katerega edini rezultat bi bil prenos toplote z manj segretega telesa na bolj segreto. (Nemogoč je krožni proces, katerega edini rezultat bi bila proizvodnja dela s hlajenjem hranilnika toplote)

Obe definiciji drugega zakona termodinamike temeljita na prvem zakonu termodinamike, ki pravi, da se energija zmanjšuje.

Drugi zakon je povezan s konceptom entropija (S).

Entropija ki ga ustvarjajo vsi procesi, je povezan z izgubo sposobnosti sistema za opravljanje dela. Rast entropije je spontan proces. Če sta prostornina in energija sistema stalni, potem vsaka sprememba v sistemu poveča entropijo. Če se spremeni prostornina ali energija sistema, se zmanjša entropija sistema. Vendar se entropija vesolja ne zmanjša.

Da se energija lahko uporablja, morajo v sistemu obstajati območja visoke in nizke ravni energije. Koristno delo nastala kot posledica prenosa energije z območja z visoki ravni energije v območje z nizkimi ravnmi energije.

• 100% energije ni mogoče pretvoriti v delo
• Entropijo je mogoče ustvariti, vendar je ni mogoče uničiti

Učinkovitost toplotnega motorja

Učinkovitost toplotnega stroja, ki deluje med dvema energijskima nivojema, je določena z absolutnimi temperaturami

η = (T h - T c) / T h = 1 - T c / T h

η = učinkovitost

T c = spodnja temperaturna meja (K)

Da bi dosegli največjo učinkovitost, mora biti T c čim nižji. Da bi bil učinek 100 %, mora biti T c enak 0 po Kelvinovi lestvici. V praksi je to nemogoče, zato je učinkovitost vedno manjša od 1 (manj kot 100%).

• Sprememba entropije > 0
  Nepovratno postopek
• Sprememba entropije = 0
  Dvostranski proces (reverzibilen)
• Sprememba entropije< 0
  Nemogoče postopek (ni izvedljivo)

Entropija določa relativno sposobnost enega sistema, da vpliva na drugega. Ko se energija premakne na dno raven energije, kjer se zmanjša možnost vplivanja na okolje, se poveča entropija.

Opredelitev entropije

Entropija je opredeljena kot:

T = absolutna temperatura (K)

Spremembo entropije sistema povzroči sprememba vsebnosti temperature v njem. Sprememba entropije je enaka spremembi temperature sistema, deljeni s povprečno absolutno temperaturo (T a):

Vsota vrednosti (H/T) za vsak celoten Carnotov cikel je 0. To je zato, ker je vsak pozitivni H nasproten negativna vrednost H.

• Carnotov toplotni cikel

Carnotov cikel je idealen termodinamični cikel.

V toplotnem stroju se plin (reverzibilno) segreje in nato ohladi. Model cikla je naslednji: položaj 1 --() --> položaj 2 --() --> položaj 3 ---(izotermna kompresija) --> položaj 4 ---(adiabatna kompresija) --> položaj 1

Položaj 1 - položaj 2: Izotermna ekspanzija
Izotermna ekspanzija. Na začetku procesa delovna tekočina ima temperaturo T h, to je temperaturo grelca. Telo nato pride v stik z grelcem, ki mu izotermno (pri stalni temperaturi) preda količino toplote QH. Hkrati se poveča prostornina delovne tekočine. Q H =∫Tds=T h (S 2 -S 1) =T h ΔS
Položaj 2 - položaj 3: Adiabatna ekspanzija
Adiabatna (izentropska) ekspanzija. Delovna tekočina je ločena od grelnika in se še naprej širi brez izmenjave toplote z okoljem. Hkrati se njegova temperatura zniža na temperaturo hladilnika.
Položaj 3 - položaj 4: Izotermna kompresija
Izotermna kompresija. Delovna tekočina, ki ima do takrat temperaturo Tc, pride v stik s hladilnikom in se začne izotermno stiskati, pri čemer daje količino toplote Qc hladilniku. Q c = T c (S 2 - S 1) = T c ΔS
Položaj 4 - položaj 1: Adiabatna kompresija
Adiabatna (izentropska) kompresija. Delovna tekočina je ločena od hladilnika in stisnjena brez izmenjave toplote z okoljem. Hkrati se njegova temperatura poveča na temperaturo grelnika.

Med izotermnimi procesi temperatura ostane konstantna, med adiabatnimi procesi ni izmenjave toplote, kar pomeni, da se entropija ohranja.

Zato je priročno predstaviti Carnotov cikel v koordinatah T in S (temperatura in entropija).

Zakoni termodinamike so bili določeni empirično (eksperimentalno). Drugi zakon termodinamike je posplošitev eksperimentov, povezanih z entropijo. Znano je, da dS sistema plus dS okolju enako ali večje od 0.

• Entropija adiabatno izoliranega sistema se ne spremeni!

Primer - Entropija pri segrevanju vode

Postopek segrevanja 1 kg vode iz 0 do 100 o C (273 do 373 K)

Pri 0 o C = 0 kJ/kg (specifično - na enoto mase)

Pri 100 o C = 419 kJ/kg

Sprememba specifične entropije:

dS = dH / T a

= ((419 kJ/kg) - (0 kJ/kg)) / ((273 K + 373 K)/2)

= 1.297 kJ/kg*K

Primer - Entropija med izhlapevanjem vode

Postopek pretvorbe 1 kg vode pri 100 o C (373 K) v nasičeno paro pri 100 o C (373 K) pri normalnih pogojih.

Specifična entalpija pare pri 100 o C (373 K) do izhlapevanje = 0 kJ/kg

100 o C (373 K) pri izhlapevanje = 2,258 kJ/kg

Sprememba specifične entropije:

dS = dH / T a

= (2 258 - 0) / ((373 + 373)/2)

= 6.054 kJ/kg*K

Celotna sprememba specifične entropije izhlapevanja vode je vsota specifične entropije vode (pri 0 o C) in specifične entropije pare (pri temperaturi 100 o C).

Predavanje 17

Drugi zakon termodinamike

Vprašanja

Toplotni in hladilni stroji. Carnotov cikel.

Entropija, drugi zakon termodinamike.

3. Pravi plini. Van der Waalsova enačba.

Izoterme realnih plinov. Fazni diagram.

4. Notranja energija realnega plina.

Joule-Thomsonov učinek.

1. Toplotni stroji in hladilni stroji. Carnotov cikel

Cikel imenujemo krožni proces, v katerem se sistem, potem ko je šel skozi vrsto stanj, vrne v prvotni položaj.

Neposredni cikel

Učinkovitost motorja

Povratni cikel

hladilni koeficient

grelni koeficient

Carnotov cikel je cikel idealnega motorja, v katerem se toplota dovaja in odvaja v izotermičnih pogojih pri temperaturah grelnika T 1 in hladilnik T 2, prehod iz T 1 do T 2 in obratno se izvaja pod adiabatnimi pogoji.

A ts = A 12 + A 23 + A 34 + A 41 (1)

, (2)

, (3)

, (4)

. (5)

. (6)

(7)

Carnotovi izreki:

Izkoristek toplotnega stroja, ki deluje pri danih temperaturah grelnika in hladilnika, ne more biti večji od izkoristka stroja, ki deluje v reverzibilnem Carnotovem ciklu pri enakih temperaturah grelnika in hladilnika.

Učinkovitost toplotnega stroja, ki deluje po Carnotovem ciklu, ni odvisna od vrste delovne tekočine, ampak odvisnosamo na temperature grelnika in hladilnika.

Odvisnost učinkovitosti Carnotovega cikla od temperature grelnika(t 2 = 0 o C)

t 1, o C
 t , %

;


, (8)

Kot osnova za ugotovitev je služil Carnotov izrek termodinamična temperaturna lestvica, taka termodinamična lestvica ni povezana z lastnostmi katerega koli termometričnega telesa.

1. Entropija, drugi zakon termodinamike

Entropija je razmerje med toploto, dovedeno v termodinamični sistem v določenem procesu, in absolutno temperaturo tega telesa.

(9)

To funkcijo je prvi predstavil S. Carnot pod imenom zmanjšana toplota , ki ga je nato imenoval Clausius (1865).

, (10)

- dovaja se toplota,

- toplota se odstrani.

Sprememba entropije v posebnih primerih politropnega procesa

1.


izobarni proces.

(11)

2 .




izotermični proces

1. zakon termodinamike:


(12)

3. -Adiabatski proces.

izentropski proces(13)

4. Izohorni proces.

Drugi zakon termodinamike kompleti smer potek toplotnih procesov.

Formulacija nemškega fizika R. ClausiusA: nemogoč je proces, katerega edini rezultat bi bil prenos energije z izmenjavo toplote s telesa z nizko temperaturo na telo z višjo temperaturo.

Formulacija angleškega fizika W. KelvinA: V Za ciklično delujoč toplotni stroj je nemogoče izvesti proces, katerega edini rezultat bi bila transformacija v mehansko delo skupna količina toplote, prejete iz posameznega toplotnega rezervoarja.

Verjetnostna formulacija avstrijskega fizika L. Boltzmanna: Entropijo je predlagal kot merilo statistične motnje zaprt termodinamični sistem. Za vsako stanje sistema z veliko motnjo je značilna velika motnja. Termodinamična verjetnost W stanje sistema je število načinov, s katerim je mogoče realizirati dano stanje makroskopskega sistema, ali število mikrodržave, ki izvaja to makrostanje. Po definiciji termodinamična verjetnost W >> 1.

S = k ln W, (14)

kje k= 1,38·10 –23 J/K – Boltzmannova konstanta.

Tako je entropija določena z logaritmom števila mikrostanj, s pomočjo katerih se lahko realizira makrostanje. Posledično lahko entropijo obravnavamo kot merilo verjetnosti stanja termodinamičnega sistema.

Vsi spontani procesi v zaprtem sistemu, ki sistem približajo stanju ravnovesja in jih spremlja povečanje entropije, so usmerjeni v povečanje verjetnosti stanja.

(15)

tiste. entropija zaprtega sistema se lahko poveča (v primeru ireverzibilnih procesov) ali pa ostane konstantna (v primeru reverzibilnih procesov).

Ker se entropija povečuje samo v neravnotežnem procesu, se njeno povečevanje dogaja, dokler sistem ne doseže ravnotežnega stanja. Posledično ravnotežno stanje ustreza največji entropiji. S tega vidika je entropija merilo bližine sistema stanju ravnovesja, tj. v stanje z minimalno potencialno energijo.

3. Pravi plini. Van der Waalsova enačba. Izoterme realnih plinov. Fazni diagram

Obnašanje realnega plina se razlikuje od obnašanja idealnega plina. Tako je polmer molekul večine plinov približno 10 -10 m (1Ǻ), zato je prostornina molekul približno 410  30 m 3. 1 m 3 plina pri normalnih pogojih vsebuje 2,710 25 molekul. Tako bo intrinzična prostornina molekul v 1 m 3 pri normalnih pogojih reda velikosti 1,210  4 m 3, tj. približno 0,0001 prostornine, ki jo zaseda plin.

Vsaka snov je lahko različna, odvisno od njenih parametrov stanja agregatna stanja:trdno, tekoče, plinasto, plazma .

nizozemski fizik Van der Waals uvedel dve spremembi Mendeleev-Clapeyronove enačbe:

1. Upoštevanje intrinzične prostornine molekule

Prostornina ene molekule: ;

Nedostopna prostornina para molekul (na molekulo):

- štirikratna prostornina molekule.

Nerazpoložljiva glasnost za vse n A molekule enega kilomola:

notranji pritisk;A– van der Waalsova konstanta, ki označuje sile medmolekularne privlačnosti.

Van der Waalsova enačba za en mol plina (enačba stanja realnih plinov):

. (16)

Van der Waalsova enačba za poljubno plinsko maso

. (17)

Za fiksne vrednosti tlaka in temperature ima enačba (16) tri korenine glede na V(V 1 , V 2 , V 3)

(V   V 1 )(V   V 2)(V   V 3 ) = 0.

Kot je znano, prvi zakon termodinamike odraža zakon o ohranitvi energije v termodinamičnih procesih, vendar ne daje predstave o smeri procesov. Poleg tega lahko pridete do številnih termodinamičnih procesov, ki ne bodo v nasprotju s prvim zakonom, vendar v resnici takšni procesi ne obstajajo. Obstoj drugega zakona (zakona) termodinamike je posledica potrebe po ugotovitvi možnosti določenega procesa. Ta zakon določa smer poteka termodinamičnih procesov. Pri oblikovanju drugega zakona termodinamike uporabljajo pojma entropije in Clausiusove neenakosti. V tem primeru je drugi zakon termodinamike formuliran kot zakon rasti entropije zaprtega sistema, če je proces ireverzibilen.

Izjave drugega zakona termodinamike

Če se proces zgodi v zaprtem sistemu, se entropija tega sistema ne zmanjša. V obliki formule je drugi zakon termodinamike zapisan kot:

kjer je S entropija; L je pot, po kateri se sistem premika iz enega stanja v drugo.

Pri tej formulaciji drugega zakona termodinamike je treba biti pozoren na dejstvo, da mora biti obravnavani sistem zaprt. V odprtem sistemu se entropija lahko obnaša poljubno (lahko se zmanjša, poveča ali ostane konstantna). Upoštevajte, da se entropija v zaprtem sistemu med reverzibilnimi procesi ne spreminja.

Povečanje entropije v zaprtem sistemu med ireverzibilnimi procesi je prehod termodinamičnega sistema iz stanj z manjšo verjetnostjo v stanja z večjo verjetnostjo. Slavna Boltzmannova formula daje statistično razlago drugega zakona termodinamike:

kjer je k Boltzmannova konstanta; w - termodinamična verjetnost (število načinov, na katere se lahko realizira makrostanje obravnavanega sistema). Tako je drugi zakon termodinamike statistični zakon, ki je povezan z opisom vzorcev toplotnega (kaotičnega) gibanja molekul, ki sestavljajo termodinamični sistem.

Druge formulacije drugega zakona termodinamike

Obstajajo številne druge formulacije drugega zakona termodinamike:

1) Kelvinova formulacija: Nemogoče je ustvariti krožni proces, katerega rezultat bo izključno pretvorba toplote, prejete od grelnika, v delo. Iz te formulacije drugega zakona termodinamike sklepajo, da ni mogoče ustvariti večnega gibala druge vrste. To pomeni, da mora imeti periodično delujoč toplotni stroj grelec, delovno tekočino in hladilnik. V tem primeru učinkovitost idealnega toplotnega stroja ne more biti večja od učinkovitosti Carnotovega cikla:

kje je temperatura grelnika; — temperatura hladilnika; ( title="Upodobljeno s strani QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) Clausiusova formulacija: Nemogoče je ustvariti krožni proces, zaradi katerega bi prehajala le toplota od telesa z nižjo temperaturo k telesu z višjo temperaturo.

Drugi zakon termodinamike ugotavlja bistveno razliko med obema oblikama prenosa energije (delo in toplota). Iz tega zakona sledi, da je prehod urejenega gibanja telesa kot celote v kaotično gibanje molekul telesa in zunanjega okolja nepovraten proces. V tem primeru lahko urejeno gibanje brez dodatnih (kompenzacijskih) procesov preide v kaotično. Medtem ko mora prehod iz neurejenega gibanja v urejeno gibanje spremljati kompenzacijski proces.

Primeri reševanja problemov

PRIMER 1

telovadba

Kaj je bistvo problema "toplotne smrti vesolja"? Zakaj je ta problem nevzdržen?

rešitev

Ta problem je bil oblikovan v 19. stoletju. Če smatramo, da je vesolje zaprt sistem in poskušamo nanj uporabiti drugi zakon termodinamike, potem bo po Clausiusovi hipotezi entropija vesolja dosegla določen maksimum. To pomeni, da bodo čez nekaj časa vse oblike gibanja postale toplotno gibanje. Vsa toplota teles z višjo temperaturo bo šla k telesom z nižjo temperaturo, to pomeni, da se bodo temperature vseh teles v vesolju izenačile. Vesolje bo prišlo v stanje toplotnega ravnovesja, vsi procesi se bodo ustavili – to se imenuje toplotna smrt vesolja. Napaka to določbo o toplotni smrti vesolja je v tem, da drugi zakon termodinamike ne velja za odprte sisteme in vesolja ne bi smeli šteti za zaprtega. Ker je neomejen in sestoji iz neskončnega razvoja.

PRIMER 2

telovadba

Kakšna je učinkovitost cikla, prikazanega na sliki 1? Pomislite, da ste vključeni v proces. idealen plin(število prostostnih stopinj je i) in njegova prostornina se spremeni n-krat.

rešitev

Učinkovitost cikla, ki je predstavljena na sliki 1, se izračuna kot: kjer je količina toplote, ki jo delovna tekočina prejme od grelnika v predstavljenem ciklu. Pri adiabatskih procesih ni dovoda ali odvzema toplote, izkaže se, da se toplota dovaja samo v procesu 1-2. - količina toplote, ki se odvzame plinu v procesu 3-4. Z uporabo prvega zakona termodinamike najdemo količino toplote, ki jo prejme plin v procesu 1-2, ki je izohoren: saj se v tem procesu ne spremeni prostornina. spremeniti notranja energija plin definiramo kot: Po analogiji imamo za izohorni proces, pri katerem se toplota odvaja: Dobljeni rezultat (2.2 - 2.5) nadomestimo v izraz (2.1): Za iskanje temperaturnih razlik uporabljamo adiabatsko enačbo in upoštevamo sliko 1. Za postopek 2-3 zapišemo:

Uvod_3

Splošne značilnosti in formulacija drugega zakona termodinamike 4

Koncept entropije_ 8

Zaključek_ 10

Reference_ 11

Uvod

Trenutno se toplotna energija in toplotne instalacije pogosto uporabljajo v različnih panogah nacionalno gospodarstvo. Vklopljeno industrijska podjetja tvorijo glavni kritični del procesne opreme.

Veda, ki proučuje načine uporabe energije goriva, zakonitosti procesov spreminjanja agregatnega stanja, principe delovanja različnih strojev in naprav, energetskih in tehnoloških naprav, se imenuje toplotna tehnika. Teoretične osnove Toplotna tehnika je termodinamika in teorija prenosa toplote.

Termodinamika temelji na temeljnih zakonih (principih), ki so posplošitev opazovanj procesov, ki se dogajajo v naravi ne glede na posebne lastnosti teles. To pojasnjuje univerzalnost vzorcev in odnosov med fizikalne količine pridobljeno iz termodinamičnih študij.

Prvi zakon termodinamike označuje in opisuje procese transformacije energije s kvantitativne strani in zagotavlja vse potrebno za izdelavo energetske bilance katere koli naprave ali procesa.

Drugi zakon termodinamike, ki je najpomembnejši zakon narave, določa smer, v kateri potekajo termodinamični procesi, postavlja možne meje za pretvorbo toplote v delo v krožnih procesih in nam omogoča, da podamo strogo definicijo pojmov, kot je entropija. , temperatura itd. V tem pogledu drugi zakon termodinamike bistveno dopolnjuje prvega.

Načelo nedosegljivosti absolutne ničle je sprejeto kot tretji zakon termodinamike.

Teorija prenosa toplote preučuje vzorce prenosa toplote iz enega prostora v drugega. Procesi prenosa toplote so procesi izmenjave notranje energije med elementi obravnavanega sistema v obliki toplote.

Splošne značilnosti in formulacija drugega zakona termodinamike

Naravni procesi so vedno usmerjeni k doseganju ravnotežnega stanja (mehanskega, toplotnega ali katerega drugega) s strani sistema. Ta pojav odraža drugi zakon termodinamike, ki ima velika vrednost in za analizo delovanja termoenergetskih strojev. V skladu s tem zakonom lahko na primer toplota spontano prehaja le s telesa z višjo temperaturo na telo z nižjo temperaturo. Za izvedbo obratnega procesa je treba vložiti nekaj dela. V zvezi s tem lahko drugi zakon termodinamike formuliramo na naslednji način: proces, pri katerem bi toplota spontano prehajala s hladnejših teles na toplejša telesa, ni mogoč (Clausiusov postulat, 1850).

Drugi zakon termodinamike določa tudi pogoje, pod katerimi se lahko toplota poljubno dolgo pretvarja v delo. V vsakem odprtem termodinamičnem procesu se s povečanjem prostornine opravi pozitivno delo:

,

kjer sem l končno delo,

v 1 in v 2 sta začetni in končni specifični volumen;

vendar se proces raztezanja ne more nadaljevati v nedogled, zato je možnost pretvarjanja toplote v delo omejena.

Kontinuirana pretvorba toplote v delo se izvaja samo v krožnem procesu ali ciklu.

Vsak osnovni proces, vključen v cikel, se izvede, ko se toplota dovaja ali odvaja dQ, spremlja dokončanje ali poraba dela, povečanje ali zmanjšanje notranje energije, vendar vedno, ko je pogoj izpolnjen dQ= dU+ dL in dq= du+ dl, kar kaže, da brez dovoda toplote ( dq=0) zunanje delo se lahko opravi samo zaradi notranje energije sistema, dovajanje toplote v termodinamični sistem pa določa termodinamični proces. Integracija z zaprto zanko daje:

, , ker .

Tukaj Q C in L C- oziroma toplota, pretvorjena v delo v ciklu, in delo, ki ga opravi delovna tekočina, kar je razlika | L 1 | - |L 2| pozitivna in negativna dela elementarnih procesov cikla.

Osnovno količino toplote lahko štejemo za dobavljeno ( dQ>0) in preusmerjen ( dQ<0) iz delovne tekočine. Vsota toplote, dovedene v ciklu |Q 1 |, in vsota odvzete toplote |Q 2 |. torej

L C =Q C =|Q 1 | - |Q 2 |.

Dovod količine toplote Q 1 delovni tekočini je možen ob prisotnosti zunanjega vira s temperaturo, ki je višja od temperature delovne tekočine. Ta vir toplote se imenuje vroč. Odvzem količine toplote Q 2 iz delovne tekočine je možen tudi v prisotnosti zunanjega vira toplote, vendar s temperaturo, nižjo od temperature delovne tekočine. Tak vir toplote imenujemo hladen. Tako je za dokončanje cikla potrebno imeti dva vira toplote: enega z visoko temperaturo, drugega z nizko. V tem primeru vse porabljene količine toplote Q 1 ni mogoče pretvoriti v delo, saj se količina toplote Q 2 prenese na vir mraza.

Pogoji delovanja toplotnega motorja so naslednji:

Potreba po dveh virih toplote (toplo in hladno);

Ciklično delovanje motorja;

Prenos dela količine toplote, prejete iz vročega vira v hladen, ne da bi se pretvoril v delo.

V zvezi s tem lahko drugemu zakonu termodinamike damo več formulacij:

- prenos toplote iz hladnega vira v vročega ni mogoč brez stroškov dela;

- nemogoče je zgraditi občasno delujoč stroj, ki opravlja delo in s tem hladi toplotni rezervoar;

- narava teži k prehodu iz manj verjetnih stanj v bolj verjetna.

Poudariti je treba, da je drugi zakon termodinamike (tako kot prvi) oblikovan na podlagi izkušenj.

V najbolj splošni obliki lahko drugi zakon termodinamike formuliramo takole: vsak pravi spontani proces je nepovraten. Vse ostale formulacije drugega zakona so posebni primeri najbolj splošne formulacije.

W. Thomson (lord Kelvin) je leta 1851 predlagal naslednjo formulacijo: Nemogoče je s pomočjo neživega materialnega sredstva pridobiti mehansko delo iz katere koli mase snovi tako, da jo ohladimo pod temperaturo najhladnejšega okoliškega predmeta.

M. Planck je predlagal formulacijo, ki je bila jasnejša od Thomsonove: Nemogoče je zgraditi periodično delujoč stroj, katerega celotno delovanje bi bilo zreducirano na koncept določene obremenitve in hlajenja vira toplote. Periodično delujoč stroj je treba razumeti kot motor, ki neprekinjeno (v cikličnem procesu) pretvarja toploto v delo. Pravzaprav, če bi bilo mogoče zgraditi toplotni stroj, ki bi preprosto jemal toploto iz nekega vira in jo nenehno (ciklično) pretvarjal v delo, potem bi bilo to v nasprotju s stališčem, da lahko sistem proizvede delo le, če ni ravnovesja (predvsem v zvezi s toplotnim strojem - ko je v sistemu temperaturna razlika med toplimi in hladnimi viri).

Če ne bi bilo omejitev, ki jih postavlja drugi zakon termodinamike, bi to pomenilo, da je mogoče zgraditi toplotni stroj samo z enim virom toplote. Takšen motor bi lahko deloval s hlajenjem, na primer, vode v oceanu. Ta proces se lahko nadaljuje, dokler se vsa notranja energija oceana ne pretvori v delo. Toplotni motor, ki bi deloval na ta način, je primerno poimenoval V.F večni gibalni stroj druge vrste (v nasprotju z večnim gibalcem prve vrste, ki deluje v nasprotju z zakonom o ohranitvi energije). V skladu z zgornjim lahko formulacijo drugega zakona termodinamike, ki jo je podal Planck, spremenimo na naslednji način: izvedba večnega gibala druge vrste je nemogoča.

Opozoriti je treba, da obstoj večnega gibalca druge vrste ni v nasprotju s prvim zakonom termodinamike; pravzaprav bi v tem motorju delo nastalo ne iz nič, temveč zaradi notranje energije, ki jo vsebuje vir toplote, tako da s kvantitativne strani proces pridobivanja dela iz toplote v tem primeru ne bi bil nemogoč. Vendar pa je obstoj takega motorja nemogoč z vidika kvalitativne strani procesa prenosa toplote med telesi.

Koncept entropije

Neskladje med pretvorbo toplote v delo in delom v toploto vodi v enostransko usmerjenost realnih procesov v naravi, kar odraža fizikalni pomen drugega zakona termodinamike v zakonu o obstoju in naraščanju realnih procesov imenovana določena funkcija entropija , definiranje merilo amortizacije energije.

Pogosto je drugi zakon termodinamike predstavljen kot enoten princip obstoja in povečanja entropije.