La prima legge della termodinamica è la legge di conservazione dell'energia applicata ai processi termodinamici: l'energia non scompare nel nulla e non nasce dal nulla, ma passa solo da un tipo all'altro in quantità equivalenti. Un esempio potrebbe essere il trasferimento di calore (energia termica) in energia meccanica e viceversa.

Se una certa quantità di calore dQ viene aggiunta a M kg di gas che occupa un volume V (m 3) a una temperatura T a pressione costante, di conseguenza la temperatura del gas aumenterà di dT e il volume di dV. Un aumento della temperatura è associato ad un aumento dell'energia cinetica del movimento molecolare dK.
Un aumento di volume è accompagnato da un aumento della distanza tra le molecole e, di conseguenza, da una diminuzione energia potenziale interazioni dH tra loro. Inoltre, aumentando il suo volume, il gas fa un lavoro dA per vincere le forze esterne.
Se, oltre a quelli indicati, non si verificano altri processi nel fluido di lavoro, allora, in base alla legge di conservazione dell'energia, possiamo scrivere:

dQ = dK + dH + dA.

La somma dK + dH rappresenta la variazione energia interna dU delle molecole del sistema a seguito della fornitura di calore.
Quindi la formula di conservazione dell’energia per un processo termodinamico può essere scritta come:

dQ = dU + dA oppure dQ = dU + pdV.

Questa equazione è un'espressione matematica prima legge della termodinamica: la quantità di calore dQ fornita al sistema del gas viene spesa per modificare la sua energia interna dU e svolgere lavoro esterno dA.

Convenzionalmente si ritiene che quando dQ > 0 viene ceduto calore al fluido di lavoro, e quando dQ< 0 теплота отнимается от тела. При dA >0 il sistema funziona (il gas si espande) e al dA< 0 работа совершается над системой (газ сжимается) .

Per un gas ideale, dove non c'è interazione tra le molecole, la variazione dell'energia interna dU è completamente determinata dalla variazione dell'energia cinetica del movimento (cioè aumentare la velocità delle molecole), e la variazione di volume caratterizza il lavoro del gas per vincere le forze esterne.

La prima legge della termodinamica ha un’altra formulazione: l'energia di un sistema termodinamico isolato rimane invariata indipendentemente dai processi che si verificano in esso.
È impossibile costruire una macchina a moto perpetuo del primo tipo, cioè una macchina che opera periodicamente e che compia un lavoro senza consumare energia.



Seconda legge della termodinamica

La prima legge della termodinamica descrive le relazioni quantitative tra i parametri di un sistema termodinamico che avvengono nei processi di conversione dell'energia termica in energia meccanica e viceversa, ma non stabilisce le condizioni alle quali questi processi sono possibili. Queste condizioni necessarie per la trasformazione di un tipo di energia in un altro sono rivelate dalla seconda legge della termodinamica.

Esistono diverse formulazioni di questa legge e ciascuna di esse ha lo stesso contenuto semantico. Ecco le formulazioni più frequentemente citate del secondo principio della termodinamica.

1. Per convertire il calore in lavoro meccanicoè necessario disporre di una fonte di calore e di un frigorifero la cui temperatura sia inferiore alla temperatura della fonte, ovvero è necessaria una differenza di temperatura.

2. È impossibile realizzare una macchina termica, il cui unico risultato sarebbe la trasformazione del calore di qualsiasi corpo in lavoro senza che una parte del calore venga trasferita ad altri corpi.
Da questa formulazione possiamo concludere che è impossibile costruire una macchina a moto perpetuo che funzioni grazie ad una sola fonte di calore, poiché qualsiasi fonte di calore, anche la più colossale sotto forma di corpo materiale non è in grado di cedere più energia termica di quella consentita dall'entalpia (parte dell'energia totale di un corpo che può essere convertita in calore raffreddando il corpo alla temperatura dello zero assoluto).

3. Il calore non può spostarsi da solo da un corpo meno riscaldato a uno più riscaldato senza il dispendio di lavoro esterno.

Come puoi vedere, la seconda legge della termodinamica non si basa su contenuti formali, ma descrive solo le condizioni alle quali determinati fenomeni e processi termodinamici sono possibili, confermando, in sostanza, diritto comune risparmio energetico.

Processi spontanei (spontanei). sono descritti dalle seguenti caratteristiche:

1. Tutti i processi naturali spontanei procedono in una direzione, cioè hanno una direzione a senso unico. Ad esempio, il calore si trasferisce da un corpo caldo a uno freddo; i gas tendono ad occupare il volume maggiore.

2. Parte dell'energia si trasforma in calore, cioè il sistema passa da uno stato ordinato a uno stato con movimento termico casuale delle particelle.

3. I processi spontanei possono essere utilizzati per produrre lavoro utile. Man mano che si trasforma, il sistema perde la sua capacità di produrre lavoro. Nello stato finale di equilibrio ha la minima quantità di energia.

4. Il sistema non può essere riportato allo stato originale senza apportare alcuna modifica a se stesso o all'ambiente. Tutti i processi spontanei sono termodinamicamente irreversibili.

5. In un processo spontaneo lo stato iniziale è meno probabile rispetto a ciascuno successivo e meno probabile rispetto a quello finale.

Processi non spontanei verificarsi con il dispendio di lavoro; in questo caso il sistema si allontana dallo stato di equilibrio (ad esempio compressione del gas, elettrolisi).

Seconda legge della termodinamica- questo è un postulato. È di natura statistica ed è applicabile ai sistemi da gran numero particelle.

La seconda legge della termodinamica ha le seguenti formulazioni:

1. Il calore non può trasferirsi spontaneamente da un corpo meno riscaldato a uno più riscaldato.

2. È impossibile un processo il cui unico risultato sia la conversione del calore in lavoro.

3. Una macchina a moto perpetuo del secondo tipo è impossibile. Il calore del più freddo dei corpi coinvolti nel processo non può servire come fonte di lavoro.

Espressione analitica del secondo principio della termodinamica e sua giustificazione utilizzando il ciclo di Carnot. L'essenza dell'espressione della seconda legge della termodinamica è la connessione tra la spontaneità del processo e la crescita dell'entropia. Questa espressione deriva dalla considerazione della questione della completezza teorica della conversione del calore in lavoro nel ciclo reversibile di Carnot .

Il ciclo è composto da quattro processi:

AB- dilatazione isotermica dovuta al calore Domanda 1, fornita al gas ad una certa temperatura T1;

Sole- espansione adiabatica;

SD- compressione isotermica a temperatura T2, in questo processo il gas cede calore Domanda 2;

SÌ- compressione adiabatica allo stato iniziale.

Il calore assorbito (o rilasciato) durante l'espansione isoterma (o compressione) di una mole di gas ideale è pari al lavoro

Durante l'espansione (o compressione) adiabatica

L'applicazione di queste equazioni ai processi ciclici corrispondenti porta all'espressione del coefficiente termodinamico azione utile(efficienza): . (4.3)

L'equazione (4.3) è l'espressione matematica della seconda legge della termodinamica.

Perché T1‹ T2, Quello η ‹1.

Secondo la teoria di Carnot, la sostituzione di un gas ideale con qualsiasi altra sostanza non porterà ad una variazione di efficienza. Ciclo di Carnot. La sostituzione del ciclo di Carnot con qualsiasi altro ciclo comporterà una minore efficienza. (Teorema di Clasius-Carnot). Quindi, anche nel caso di un motore termico ideale conversione del calore in lavoro non può essere completo.

L'espressione della seconda legge della termodinamica ci consente di introdurre il concetto di entropia, con l'aiuto del quale l'essenza della legge si rivela in una forma comoda e generale.

Cambiamo l'espressione (4.3):

SU . (4.4)

Il rapporto è chiamato calore ridotto. L’equazione (4.4) lo dimostra somma algebrica i calori ridotti secondo il ciclo reversibile di Carnot è pari a zero.

Per un ciclo di Carnot reversibile infinitesimo

dove è il calore ridotto elementare.

Qualsiasi ciclo può essere sostituito da un insieme di cicli di Carnot infinitesimi: .

Nel limite, questo importo si trasformerà in .

Nella teoria degli integrali è dimostrato che se l'integrale su un circuito chiuso è uguale a zero, allora l'espressione dell'integrando è il differenziale completo di alcune funzioni dei parametri che determinano lo stato del sistema.

Dove S- Questo entropia, tale funzione dello stato del sistema, il cui differenziale totale in una trasformazione reversibile è pari al rapporto tra una quantità infinitesima di calore e temperatura.

Il concetto di “entropia” fu introdotto da Clausius (1850) . Questa espressione è l'espressione matematica della seconda legge della termodinamica per i processi reversibili.

La variazione di entropia in un processo reversibile è uguale alla variazione di entropia in un processo irreversibile, cioè . Confrontiamo i calori dei processi reversibili e irreversibili. Secondo la prima legge della termodinamica . Energia interna Uè una funzione dello stato del sistema, quindi . Pertanto, durante una trasformazione reversibile viene svolto il massimo lavoro

Nel caso generale dei processi reversibili e irreversibili La seconda legge della termodinamica ha la seguente espressione matematica:

Qui dS = cost, e cambia solo la parte destra dell'equazione, cioè valore termico. Unità di entropia: [ S] = J/mol·K.

L'equazione combinata del primo e del secondo principio della termodinamica è:

Calcolo della variazione di entropia di un gas ideale.

Esprimiamo il cambiamento nell'energia interna

Dividendo l'equazione (4.6) per T, determiniamo la variazione di entropia:

(4.7)

Dall'equazione dei gas ideali: ne consegue che . Quindi, dopo aver sostituito questa relazione nella (4.7):

(4.8)

Integriamo l'espressione (4.8) e otteniamo L'equazione per calcolare la variazione di entropia di un gas ideale è:

(4.9)

Processo isotermico: , (4.10)

da allora . (4.11)

Processo isocoro: . (4.12)

Processo isobarico: . (4.13)

Processo adiabatico: . (4.14)

Postulato di Planck ha la seguente formulazione: allo zero assoluto, l'entropia dei cristalli di sostanze pure adeguatamente formati è zero. Il postulato consente di calcolare il valore assoluto dell'entropia se sono noti i calori delle transizioni di fase e se sono note le capacità termiche della sostanza nei vari stati di aggregazione.

Seconda legge della termodinamica

Storicamente, la seconda legge della termodinamica è nata dall'analisi del funzionamento delle macchine termiche (S. Carnot, 1824). Esistono diverse formulazioni equivalenti. Il nome stesso “seconda legge della termodinamica” e storicamente la sua prima formulazione (1850) appartengono a R. Clausius.

La prima legge della termodinamica, esprimendo la legge di conservazione e trasformazione dell'energia, non ci consente di stabilire la direzione dei processi termodinamici. Inoltre, è possibile immaginare molti processi che non contraddicono il primo principio, in cui si conserva l'energia, ma in natura non si verificano.

L'esperienza lo dimostra diversi tipi le energie non sono uguali nella loro capacità di essere convertite in altri tipi di energia. L'energia meccanica può essere completamente convertita in energia interna di qualsiasi corpo. Esistono alcune restrizioni per la trasformazione inversa dell'energia interna in altri tipi: la fornitura di energia interna, in nessun caso, può essere completamente convertita in altri tipi di energia. Le caratteristiche note delle trasformazioni energetiche sono associate alla direzione dei processi in natura.

La seconda legge della termodinamica è un principio che stabilisce l'irreversibilità dei processi macroscopici che si verificano a velocità finita.

A differenza dei processi reversibili puramente meccanici (senza attrito) o elettrodinamici (senza rilascio di calore Joule), i processi associati allo scambio di calore con una differenza di temperatura finita (cioè flusso a una velocità finita), con attrito, diffusione del gas, espansione dei gas in vuoto, rilascio di calore Joule, ecc., sono irreversibili, cioè possono fluire spontaneamente solo in una direzione.

La seconda legge della termodinamica riflette la direzione dei processi naturali e impone restrizioni sulle possibili direzioni delle trasformazioni energetiche nei sistemi macroscopici, indicando quali processi in natura sono possibili e quali no.

La seconda legge della termodinamica è un postulato che non può essere dimostrato nel quadro della termodinamica. È stato creato sulla base di una generalizzazione di fatti sperimentali e ha ricevuto numerose conferme sperimentali.

Enunciati del secondo principio della termodinamica

1). Formulazione di Carnot: il massimo rendimento di un motore termico non dipende dal tipo di fluido di lavoro ed è completamente determinato dalle temperature limite, tra i quali opera la macchina.

2). Formulazione di Clausius: è impossibile un processo il cui unico risultato sia il trasferimento di energia sotto forma di calore da un corpo meno riscaldato, ad un corpo più caldo.

La seconda legge della termodinamica non vieta il trasferimento di calore da un corpo meno riscaldato a uno più riscaldato. Tale transizione avviene in una macchina di refrigerazione, ma allo stesso tempo forze esterne svolgono un lavoro sul sistema, ad es. questa transizione non è l’unico risultato del processo.

3). Formulazione Kelvin: il processo circolare non è possibile, il cui unico risultato è la conversione del calore, ricevuto dal riscaldatore, in lavoro equivalente.

A prima vista può sembrare che questa formulazione contraddica l’espansione isoterma di un gas ideale. Infatti, tutto il calore ricevuto da un gas ideale da un corpo viene completamente convertito in lavoro. Tuttavia, ottenere calore e convertirlo in lavoro non è l’unico risultato finale del processo; Inoltre, come risultato del processo, si verifica una variazione del volume del gas.

PS: bisogna prestare attenzione alla dicitura “unico risultato”; i divieti del secondo principio vengono revocati se i processi in questione non sono gli unici.

4). La formulazione di Ostwald: implementazione macchina a moto perpetuo il secondo tipo è impossibile.

Una macchina a moto perpetuo del secondo tipo è un dispositivo che funziona periodicamente, che funziona raffreddando una fonte di calore.

Un esempio di tale motore potrebbe essere il motore di una nave, che assorbe il calore dal mare e lo utilizza per spingere la nave. Un motore del genere sarebbe praticamente eterno, perché... La fornitura di energia nell’ambiente è praticamente illimitata.

Dal punto di vista della fisica statistica, il secondo principio della termodinamica è di natura statistica: vale per il comportamento più probabile del sistema. L'esistenza di fluttuazioni ne impedisce un'attuazione accurata, ma la probabilità di una violazione significativa è estremamente ridotta.

Entropia

Il concetto di “entropia” è stato introdotto nella scienza da R. Clausius nel 1862 ed è formato da due parole: “ en" - energia, " tropo- Lo giro.

Secondo la legge zero della termodinamica, un sistema termodinamico isolato passa spontaneamente nel tempo in uno stato di equilibrio termodinamico e vi rimane per un tempo indefinitamente lungo, se condizioni esterne vengono mantenuti invariati.

In uno stato di equilibrio, tutti i tipi di energia nel sistema vengono convertiti in energia termica dal movimento caotico di atomi e molecole che compongono il sistema. In un sistema del genere non sono possibili processi macroscopici.

L'entropia serve come misura quantitativa della transizione di un sistema isolato ad uno stato di equilibrio. Quando il sistema passa ad uno stato di equilibrio, la sua entropia aumenta e raggiunge il massimo quando viene raggiunto lo stato di equilibrio.

L'entropia è una funzione dello stato di un sistema termodinamico, indicato con: .

Background teorico: calore ridotto,entropia

Dall'espressione per l'efficienza del ciclo di Carnot: ne consegue che oppure , dov'è la quantità di calore ceduta dal fluido di lavoro al frigorifero, si accetta: .

Quindi l'ultima relazione può essere scritta come:

Si chiama il rapporto tra il calore ricevuto da un corpo in una trasformazione isoterma e la temperatura del corpo che rilascia calore quantità ridotta di calore:

Tenendo conto della formula (2), la formula (1) può essere rappresentata come:

quelli. per il ciclo di Carnot la somma algebrica delle quantità ridotte di calore è pari a zero.

La ridotta quantità di calore impartita al corpo in una porzione infinitesimale del processo: .

La data quantità di calore per un'area arbitraria:

Rigoroso analisi teorica mostra che per ogni processo circolare reversibile la somma delle quantità ridotte di calore è uguale a zero:

Dal fatto che l'integrale (4) è uguale a zero, ne consegue che l'integrando è il differenziale completo di una funzione, che è determinata solo dallo stato del sistema e non dipende dal percorso attraverso il quale il sistema è arrivato a questo stato:

Funzione di stato a valore singolo, il cui differenziale totale è ,chiamato entropia .

La formula (5) è valida solo per processi reversibili; nel caso di processi irreversibili di non equilibrio tale rappresentazione è errata.

Proprietà dell'entropia

1). L'entropia è determinata fino ad una costante arbitraria. Il significato fisico non è l’entropia stessa, ma la differenza tra le entropie di due stati:

. (6)

Esempio: se sistema ( gas ideale) effettua una transizione di equilibrio dallo stato 1 allo stato 2, quindi la variazione di entropia è uguale a:

,

Dove ; .

quelli. la variazione di entropia di un gas ideale durante la sua transizione dallo stato 1 allo stato 2 non dipende dal tipo di processo di transizione.

In generale, nella formula (6), l'incremento di entropia non dipende dal percorso di integrazione.

2). Il valore assoluto dell'entropia può essere stabilito utilizzando la terza legge della termodinamica (teorema di Nernst):

L'entropia di qualsiasi corpo tende a zero poiché la sua temperatura tende allo zero assoluto: .

Pertanto, viene preso il punto di riferimento iniziale per l'entropia .

3). L’entropia è una quantità additiva, cioè L'entropia di un sistema di più corpi è la somma delle entropie di ciascun corpo: .

4). Come l'energia interna, l'entropia è una funzione dei parametri del sistema termodinamico .

5), viene chiamato un processo che avviene ad entropia costante isoentropico.

Nei processi di equilibrio senza trasferimento di calore, l’entropia non cambia.

In particolare, una trasformazione adiabatica reversibile è isoentropica: per essa ; , cioè. .

6). A volume costante, l'entropia è una funzione monotonicamente crescente dell'energia interna del corpo.

Infatti dal primo principio della termodinamica segue che quando abbiamo: , Poi . Ma la temperatura è sempre lì. Pertanto gli incrementi hanno lo stesso segno, come richiesto per essere dimostrato.

Esempi di variazioni di entropia in vari processi

1). Durante l'espansione isobarica di un gas ideale

2). Durante l'espansione isocora di un gas ideale

3). Durante l'espansione isoterma di un gas ideale

.

4). Durante le transizioni di fase

Esempio: trova la variazione di entropia quando una massa di ghiaccio a temperatura viene convertita in vapore.

Soluzione

Prima legge della termodinamica: .

Dall'equazione di Mendeleev–Clapeyron segue: .

Allora le espressioni del primo principio della termodinamica assumeranno la forma:

.

Quando ci si sposta da uno stato di aggregazione in un altro, la variazione totale di entropia consiste in cambiamenti nei singoli processi:

UN). Riscaldamento del ghiaccio dalla temperatura al punto di fusione:

,Dove - calore specifico ghiaccio.

B). Ghiaccio Sciogliente: ,Dove - calore specifico ghiaccio che si scioglie.

IN). Riscaldamento dell'acqua dalla temperatura al punto di ebollizione:

, dove è il calore specifico dell'acqua.

G). Evaporazione dell'acqua: , dove è il calore specifico di vaporizzazione dell'acqua.

Quindi la variazione totale di entropia è:

Il principio dell'aumento dell'entropia

Entropia di un sistema chiuso per qualsiasi i processi che si verificano in esso non diminuiscono:

oppure per il processo finale: , quindi: .

Il segno di uguale si riferisce a un processo reversibile, il segno di disuguaglianza si riferisce a un processo irreversibile. Le ultime due formule sono l'espressione matematica della seconda legge della termodinamica. Pertanto, l’introduzione del concetto di “entropia” ha permesso di formulare rigorosamente matematicamente la seconda legge della termodinamica.

I processi irreversibili portano alla creazione di uno stato di equilibrio. In questo stato l'entropia del sistema isolato raggiunge il suo massimo. In un sistema del genere non sono possibili processi macroscopici.

L'entità della variazione di entropia è una caratteristica qualitativa del grado di irreversibilità del processo.

Il principio dell’aumento dell’entropia si applica ai sistemi isolati. Se il sistema non è isolato, la sua entropia potrebbe diminuire.

Conclusione: Perché Poiché tutti i processi reali sono irreversibili, tutti i processi in un sistema chiuso portano ad un aumento della sua entropia.

Giustificazione teorica del principio

Consideriamo un sistema chiuso costituito da un riscaldatore, un frigorifero, un fluido di lavoro e un “consumatore” del lavoro svolto (un corpo che scambia energia con il fluido di lavoro solo sotto forma di lavoro), eseguendo un ciclo di Carnot. Questo è un processo reversibile, la variazione di entropia è pari a:

,

dov'è la variazione di entropia del fluido di lavoro; – variazione dell’entropia del riscaldatore; – variazione dell’entropia del frigorifero; – variazione dell’entropia del “consumatore” dell’opera.

Come è noto, la prima legge della termodinamica riflette la legge di conservazione dell'energia nei processi termodinamici, ma non dà un'idea della direzione dei processi. Inoltre, puoi inventare molti processi termodinamici che non contraddicono la prima legge, ma in realtà tali processi non esistono. L'esistenza della seconda legge (legge) della termodinamica è causata dalla necessità di stabilire la possibilità di un particolare processo. Questa legge determina la direzione del flusso dei processi termodinamici. Nel formulare la seconda legge della termodinamica, usano i concetti di entropia e di disuguaglianza di Clausius. In questo caso, la seconda legge della termodinamica è formulata come la legge di crescita dell'entropia di un sistema chiuso se il processo è irreversibile.

Enunciati del secondo principio della termodinamica

Se un processo avviene in un sistema chiuso, l'entropia di questo sistema non diminuisce. Sotto forma di formula, la seconda legge della termodinamica è scritta come:

dove S è entropia; L è il percorso lungo il quale il sistema si sposta da uno stato all'altro.

In questa formulazione della seconda legge della termodinamica occorre prestare attenzione al fatto che il sistema in esame deve essere chiuso. In un sistema aperto, l’entropia può comportarsi in qualsiasi modo (può diminuire, aumentare o rimanere costante). Si noti che l'entropia non cambia in un sistema chiuso durante i processi reversibili.

Un aumento di entropia in un sistema chiuso durante processi irreversibili è la transizione di un sistema termodinamico da stati con una probabilità inferiore a stati con una probabilità maggiore. La famosa formula di Boltzmann fornisce un'interpretazione statistica della seconda legge della termodinamica:

dove k è la costante di Boltzmann; w - probabilità termodinamica (il numero di modi in cui può essere realizzato il macrostato del sistema in esame). Pertanto, la seconda legge della termodinamica è una legge statistica associata alla descrizione dei modelli di movimento termico (caotico) delle molecole che compongono un sistema termodinamico.

Altre formulazioni del secondo principio della termodinamica

Esistono numerose altre formulazioni della seconda legge della termodinamica:

1) Formulazione di Kelvin: È impossibile creare un processo circolare, il cui risultato sarà esclusivamente la conversione del calore ricevuto dal riscaldatore in lavoro. Da questa formulazione della seconda legge della termodinamica concludono che è impossibile creare una macchina a moto perpetuo del secondo tipo. Ciò significa che agisce periodicamente motore termico deve avere un riscaldatore, fluido di lavoro e frigorifero. In questo caso, l’efficienza di un motore termico ideale non può essere maggiore dell’efficienza del ciclo di Carnot:

dov'è la temperatura del riscaldatore; — temperatura del frigorifero; ( title="Renderizzato da QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) Formulazione di Clausius: È impossibile creare un processo circolare per cui verrà trasferito solo calore da un corpo a temperatura più bassa a un corpo a temperatura più alta.

La seconda legge della termodinamica rileva la differenza essenziale tra le due forme di trasferimento di energia (lavoro e calore). Da questa legge segue che il passaggio dal movimento ordinato del corpo nel suo complesso al movimento caotico delle molecole del corpo e ambiente esterno- è un processo irreversibile. In questo caso, il movimento ordinato può trasformarsi in caotico senza processi aggiuntivi (compensativi). Mentre il passaggio dal movimento disordinato al movimento ordinato deve essere accompagnato da un processo di compensazione.

Esempi di risoluzione dei problemi

ESEMPIO 1

Esercizio

Qual è l’essenza del problema della “morte termica dell’Universo”? Perché questo problema è insostenibile?

Soluzione

Questo problemaè stato formulato nel XIX secolo. Se consideriamo l'Universo come un sistema chiuso e proviamo ad applicargli la seconda legge della termodinamica, secondo l'ipotesi Clausius, l'entropia dell'Universo raggiungerà un certo massimo. Cioè, dopo un po' di tempo, tutte le forme di movimento diventeranno movimento termico. Tutto il calore proveniente da corpi in più alta temperatura passerà agli enti che ne hanno di più bassa temperatura, cioè, le temperature di tutti i corpi nell'Universo diventeranno uguali. L'universo arriverà ad uno stato equilibrio termico, tutti i processi si fermeranno: questa è chiamata la morte termica dell'Universo. Errore questa disposizione riguardo alla morte termica dell'Universo sta nel fatto che la seconda legge della termodinamica non è applicabile ai sistemi aperti e l'Universo non dovrebbe essere considerato chiuso. Poiché è illimitato e consiste in uno sviluppo infinito.

ESEMPIO 2

Esercizio

Qual è l'efficienza del ciclo mostrato in Fig. 1? Considera che nel processo è coinvolto un gas ideale (il numero di gradi di libertà è i) e il suo volume cambia n volte.

Soluzione

L'efficienza del ciclo, presentata in Fig. 1, si trova come: dov'è la quantità di calore che il fluido di lavoro riceve dal riscaldatore nel ciclo presentato. Nei processi adiabatici non c'è fornitura o rimozione di calore; risulta che il calore viene fornito solo nel processo 1-2. - la quantità di calore che viene rimossa dal gas nel processo 3-4. Utilizzando la prima legge della termodinamica, troviamo la quantità di calore ricevuta dal gas nella trasformazione 1-2, che è isocora: poiché non vi è alcun cambiamento di volume in questo processo. Definiamo la variazione dell’energia interna del gas come: Per analogia, per una trasformazione isocora in cui viene sottratto calore, abbiamo: Sostituiamo il risultato ottenuto (2.2 - 2.5) nell'espressione (2.1): Usiamo l'equazione adiabatica per trovare le differenze di temperatura e consideriamo la Fig. 1. Per il processo 2-3 scriviamo:

Come viene generata l'energia, come viene convertita da una forma all'altra e cosa succede all'energia in un sistema chiuso? Le leggi della termodinamica aiuteranno a rispondere a tutte queste domande. La seconda legge della termodinamica verrà discussa più dettagliatamente oggi.

Le leggi nella vita quotidiana

Le leggi regolano la vita di tutti i giorni. Il codice della strada impone di fermarsi ai segnali di stop. I dipendenti pubblici sono tenuti a versare una parte del loro stipendio al governo statale e federale. Anche quelli scientifici valgono vita quotidiana. Ad esempio, la legge di gravità prevede un risultato piuttosto negativo per coloro che tentano di volare. Un altro insieme di leggi scientifiche che influenzano la vita di tutti i giorni sono le leggi della termodinamica. Si possono quindi fornire alcuni esempi per vedere come influenzano la vita di tutti i giorni.

Prima legge della termodinamica

La prima legge della termodinamica afferma che l’energia non può essere creata né distrutta, ma può essere convertita da una forma all’altra. Questa è talvolta chiamata anche legge di conservazione dell'energia. Allora come si collega questo alla vita di tutti i giorni? Bene, prendi ad esempio il computer che stai utilizzando adesso. Si nutre di energia, ma da dove viene questa energia? La prima legge della termodinamica ci dice che questa energia non può provenire dal nulla, quindi proviene da qualche parte.

Puoi monitorare questa energia. Il computer è alimentato dall’elettricità, ma da dove viene questa elettricità? Esatto, da una centrale elettrica o da una centrale idroelettrica. Se consideriamo il secondo, sarà associato ad una diga che trattiene il fiume. Un fiume ha una connessione con l'energia cinetica, il che significa che il fiume scorre. La diga converte questa energia cinetica in energia potenziale.

Come funziona una centrale idroelettrica? L'acqua viene utilizzata per far ruotare la turbina. Quando la turbina gira, viene azionato un generatore che creerà elettricità. Questa elettricità può essere trasportata interamente tramite cavi dalla centrale elettrica a casa tua in modo che quando colleghi il cavo di alimentazione a una presa elettrica, l'elettricità fluisce nel tuo computer in modo che possa funzionare.

Cosa è successo qui? C'era già una certa quantità di energia che era associata all'acqua nel fiume energia cinetica. Poi si è trasformato in energia potenziale. La diga ha poi preso quell’energia potenziale e l’ha trasformata in elettricità, che potrebbe poi entrare in casa tua e alimentare il tuo computer.

Seconda legge della termodinamica

Studiando questa legge potrai capire come funziona l'energia e perché tutto si muove verso il possibile caos e disordine. La seconda legge della termodinamica è anche chiamata legge dell’entropia. Ti sei mai chiesto come è nato l'Universo? Secondo la teoria Big Bang, prima che tutto intorno nascesse, si raccolse un'enorme quantità di energia. Dopo il Big Bang è apparso l'Universo. Tutto questo va bene, ma che tipo di energia era quella? All'inizio dei tempi, tutta l'energia dell'Universo era contenuta in un luogo relativamente piccolo. Questa intensa concentrazione rappresentava un'enorme quantità di quella che viene chiamata energia potenziale. Nel corso del tempo, si è diffuso nella vasta distesa del nostro Universo.

Su scala molto più piccola, il serbatoio d’acqua trattenuto da una diga contiene energia potenziale perché la sua posizione le consente di fluire attraverso la diga. In ogni caso, l'energia immagazzinata, una volta rilasciata, si diffonde e lo fa senza che venga esercitato alcuno sforzo. In altre parole, il rilascio di energia potenziale è un processo spontaneo che avviene senza bisogno di risorse aggiuntive. Man mano che l’energia si diffonde, una parte viene convertita in energia utile e svolge una parte di lavoro. Il resto viene convertito in energia inutilizzabile, chiamata semplicemente calore.

Poiché l’Universo continua ad espandersi, contiene sempre meno energia utile. Se ne è disponibile uno meno utile, è possibile svolgere meno lavoro. Poiché l’acqua scorre attraverso la diga, contiene anche meno energia utile. Questa diminuzione dell'energia utile nel tempo è chiamata entropia, dove l'entropia è la quantità di energia inutilizzata in un sistema, e un sistema è semplicemente l'insieme di oggetti che compongono il tutto.

L’entropia può anche essere definita come la quantità di casualità o caos in un’organizzazione senza organizzazione. Man mano che l’energia utile diminuisce nel tempo, la disorganizzazione e il caos aumentano. Pertanto, quando l’energia potenziale accumulata viene rilasciata, non tutta viene convertita in energia utile. Tutti i sistemi sperimentano questo aumento di entropia nel tempo. Questo è molto importante da capire e questo fenomeno è chiamato la seconda legge della termodinamica.

Entropia: casualità o difetto

Come avrai intuito, la seconda legge segue la prima, comunemente chiamata legge di conservazione dell'energia, e afferma che l'energia non può essere creata né può essere distrutta. In altre parole, la quantità di energia nell’Universo o in qualsiasi sistema è costante. La seconda legge della termodinamica è comunemente chiamata legge dell’entropia e sostiene che con il passare del tempo l’energia diventa meno utile e la sua qualità diminuisce nel tempo. L'entropia è il grado di casualità o di difetti di un sistema. Se un sistema è molto disordinato, allora ha un’entropia elevata. Se ci sono molti difetti nel sistema, l’entropia è bassa.

A proposito di in parole semplici, la seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia di un sistema non può diminuire nel tempo. Ciò significa che in natura le cose passano da uno stato di ordine ad uno stato di disordine. E questo è irreversibile. Il sistema non diventerà mai più ordinato da solo. In altre parole, in natura l’entropia di un sistema aumenta sempre. Un modo di pensare a questo è la tua casa. Se non lo pulisci e non lo aspiri mai, molto presto ti ritroverai in un disastro terribile. L'entropia è aumentata! Per ridurlo, è necessario applicare energia per utilizzare un aspirapolvere e uno straccio per rimuovere la polvere dalla superficie. La casa non si pulisce da sola.

Qual è la seconda legge della termodinamica? La formulazione in parole semplici afferma che quando l'energia cambia da una forma a un'altra forma, la materia si muove liberamente oppure aumenta l'entropia (disordine) in un sistema chiuso. Le differenze di temperatura, pressione e densità tendono ad stabilizzarsi orizzontalmente dopo un po'. A causa della gravità, la densità e la pressione non si equivalgono verticalmente. La densità e la pressione nella parte inferiore saranno maggiori che nella parte superiore. L’entropia è una misura della diffusione della materia e dell’energia ovunque abbiano accesso. La formulazione più comune della seconda legge della termodinamica è principalmente associata a Rudolf Clausius, che disse:

È impossibile costruire un dispositivo che non produca altro effetto se non il trasferimento di calore da un corpo a temperatura più bassa a un corpo a temperatura più alta.

In altre parole, tutto cerca di mantenere la stessa temperatura nel tempo. Esistono molte formulazioni della seconda legge della termodinamica che utilizzano termini diversi, ma significano tutte la stessa cosa. Un'altra affermazione di Clausius:

Il calore stesso non si verifica da un corpo più freddo a uno più caldo.

La seconda legge si applica solo a grandi sistemi. Riguarda il probabile comportamento di un sistema in cui non sono presenti né energia né materia. Più grande è il sistema, più probabile è la seconda legge.

Un'altra formulazione della legge:

L'entropia totale aumenta sempre in un processo spontaneo.

L'aumento di entropia ΔS durante il processo deve superare o essere uguale al rapporto tra la quantità di calore Q trasferita al sistema e la temperatura T alla quale il calore viene trasferito.

Sistema termodinamico

IN in senso generale L'enunciato della seconda legge della termodinamica in termini semplici afferma che le differenze di temperatura tra sistemi in contatto tra loro tendono a livellarsi e che da queste differenze di non equilibrio si può ottenere lavoro. Ma allo stesso tempo c'è una perdita di energia termica e l'entropia aumenta. Le differenze di pressione, densità e temperatura tendono a compensarsi se ne viene data la possibilità; La densità e la pressione, ma non la temperatura, dipendono dalla gravità. Un motore termico è un dispositivo meccanico che fornisce lavoro utile a causa della differenza di temperatura dei due corpi.

Un sistema termodinamico è un sistema che interagisce e scambia energia con la regione circostante. Lo scambio e il trasferimento devono avvenire in almeno due modi. Un modo deve essere il trasferimento di calore. Se un sistema termodinamico è "in equilibrio", non può cambiare il suo stato o stato senza interagire con il suo ambiente. In poche parole, se sei in equilibrio, sei un “sistema felice”, non c’è niente che tu possa fare. Se vuoi fare qualcosa, devi interagire con il mondo che ti circonda.

Seconda legge della termodinamica: irreversibilità dei processi

È impossibile avere un processo ciclico (ripetuto) che converta completamente il calore in lavoro. È anche impossibile avere un processo che trasferisca calore da oggetti freddi a oggetti caldi senza utilizzare lavoro. Una parte dell'energia in una reazione viene sempre persa a causa del riscaldamento. Inoltre, il sistema non può convertire tutta la sua energia in energia lavoro. La seconda parte della legge è più ovvia.

Un corpo freddo non può riscaldare un corpo caldo. Caldo naturalmente tende a fluire dalle zone più calde a quelle più fredde. Se il calore si sposta da temperature più fredde a temperature più calde, ciò è contrario a ciò che è “naturale”, quindi il sistema deve fare del lavoro affinché ciò accada. in natura - la seconda legge della termodinamica. Questa è forse la legge più famosa (almeno tra gli scienziati) e importante di tutta la scienza. Una delle sue formulazioni:

L'entropia dell'Universo tende al suo massimo.

In altre parole, l’entropia o rimane la stessa o diventa maggiore; l’entropia dell’universo non potrà mai diminuire. Il problema è che questo è sempre vero. Se prendi una bottiglia di profumo e la spruzzi in una stanza, presto gli atomi profumati riempiranno l'intero spazio e questo processo è irreversibile.

Relazioni in termodinamica

Le leggi della termodinamica descrivono le relazioni tra l'energia termica, o calore, e altre forme di energia, e il modo in cui l'energia influenza la materia. La prima legge della termodinamica afferma che l’energia non può essere creata né distrutta; quantità totale l’energia nell’Universo rimane invariata. La seconda legge della termodinamica riguarda la qualità dell’energia. Afferma che man mano che l'energia viene trasferita o convertita, sempre più energia utile viene persa. La Seconda Legge afferma inoltre che esiste una tendenza naturale per qualsiasi sistema isolato a diventare più disordinato.

Anche quando l'ordine aumenta certo posto quando si prende in considerazione l'intero sistema, incluso ambiente, c'è sempre un aumento di entropia. In un altro esempio, i cristalli possono formarsi da una soluzione salina quando l'acqua evapora. I cristalli sono più ordinati delle molecole di sale in soluzione; tuttavia, l'acqua evaporata è molto più disordinata dell'acqua liquida. Il processo considerato nel suo complesso determina un netto aumento del disordine.

Lavoro ed energia

La seconda legge spiega che è impossibile convertire l’energia termica in energia meccanica con un’efficienza del 100%. Puoi fare un esempio con un'auto. Dopo il processo di riscaldamento del gas per aumentare la sua pressione per azionare il pistone, nel gas rimane sempre del calore che non può essere utilizzato per eseguire alcuna operazione. lavoro aggiuntivo. Questo calore disperso deve essere respinto trasferendolo al radiatore. Nel caso del motore di un'auto, ciò avviene estraendo il combustibile esaurito e la miscela di aria nell'atmosfera.

Inoltre, qualsiasi dispositivo con parti in movimento crea attrito, che converte l'energia meccanica in calore, che solitamente è inutilizzabile e deve essere rimosso dal sistema trasferendolo ad un dissipatore di calore. Quando un corpo caldo e uno freddo entrano in contatto tra loro, energia termica fluiranno da un corpo caldo a uno freddo fino a raggiungere l'equilibrio termico. Tuttavia, il caldo non tornerà mai dall’altra parte; la differenza di temperatura tra due corpi non aumenterà mai spontaneamente. Lo spostamento del calore da un corpo freddo a uno caldo richiede lavoro, che deve essere eseguito da una fonte di energia esterna come una pompa di calore.

Il destino dell'Universo

La Seconda Legge predice anche la fine dell'universo. Questo è il livello massimo di disordine, se c'è un equilibrio termico costante ovunque, non può essere svolto alcun lavoro e tutta l'energia finirà per essere un movimento casuale di atomi e molecole. Secondo i dati moderni, la Metagalassia è un sistema non stazionario in espansione, non si può parlare della morte termica dell'Universo. La morte termica è uno stato di equilibrio termico in cui tutti i processi cessano.

Questa posizione è errata, poiché la seconda legge della termodinamica si applica solo ai sistemi chiusi. E l'Universo, come sappiamo, è illimitato. Tuttavia, il termine stesso "morte termica dell'Universo" viene talvolta utilizzato per designare uno scenario per il futuro sviluppo dell'Universo, secondo il quale continuerà ad espandersi indefinitamente nell'oscurità dello spazio fino a trasformarsi in polvere fredda sparsa.