Otrais termodinamikas likums. II

Viens no fizikas pamatlikumiem, entropijas nesamazināšanās likums izolētā sistēmā.
Pastāvīgas temperatūras sistēmai ir specifiska funkcija stāvoklis S - entropija, kas tiek definēta tā, ka
1. Adiabātiska pāreja no līdzsvara stāvokļa A uz līdzsvara stāvokli B iespējama tikai tad, ja

2. Entropijas pieaugums lēnā kvazistatiskā procesā ir vienāds ar

Kur T ir temperatūra.
Iepriekš minētais formulējums ir ļoti formāls. Ir daudz alternatīvu termodinamikas likuma formulējumu. Piemēram, Planks ierosināja šādu formulējumu:
Nav iespējams uzbūvēt mašīnu, kas darbojas ar ciklu, atdzesē siltuma avotu vai paceļ kravas, neradot to tomēr nekādu izmaiņu daba.

Konstantīns Caratheodory sniedza aksiomātiski stingru formulējumu
Netālu no 1. stāvokļa pastāv adiabātiskas pārejas no 1. stāvokļa uz 2. stāvokli.

Bolcmans formulēja otro termodinamikas likumu no statistiskās fizikas viedokļa:
Dabai ir tendence pāriet no stāvokļiem ar mazāku ieviešanas varbūtību uz stāvokļiem ar lielāku ieviešanas varbūtību.

Šādi formulējumi ir izplatīti.
Nav iespējams būt mūžīgam cita veida virzītājam.

Nav iespējams pārnest siltumu no auksta ķermeņa uz karstu, netērējot enerģiju.

Katrai sistēmai ir tendence pāriet no kārtības uz nekārtību.

Otrais termodinamikas likums tika formulēts 19. gadsimta vidū, laikā, kad teorētiskā bāze siltumdzinēju projektēšanai un būvniecībai. Mayer un Joule eksperimenti noteica siltuma un mehāniskās enerģijas ekvivalenci (pirmais termodinamikas likums). Radās jautājums par siltumdzinēju efektivitāti. Eksperimentālie pētījumi ir parādījuši, ka jebkuras iekārtas darbības laikā noteikti tiek zaudēts zināms siltums.
1850. un 1860. gados Klausijs vairākās publikācijās izstrādāja entropijas jēdzienu. 1865. gadā viņš beidzot izvēlējās nosaukumu jaunajai koncepcijai. Šīs publikācijas arī pierādīja, ka siltumu nevar pilnībā pārvērst noderīgs darbs, tādējādi formulējot otro termodinamikas likumu.
Bolcmans sniedza statistisku interpretāciju otrajam termodinamikas likumam, ieviešot jaunu entropijas definīciju, kas balstījās uz mikroskopiskiem atomisma jēdzieniem.
Statistiskā fizika ievieš jaunu entropijas definīciju, kas no pirmā acu uzmetiena ļoti atšķiras no termodinamikas definīcijas. To nosaka Bolcmaņa formula:

Kur? - mikroskopisko stāvokļu skaits, kas atbilst konkrētajam makroskopiskajam stāvoklim, kB- Bolcmana konstante.
No entropijas statistiskās definīcijas ir acīmredzams, ka entropijas pieaugums atbilst pārejai uz makroskopisku stāvokli, ko raksturo augstākā vērtība mikroskopiski stāvokļi.
Ja termodinamiskās sistēmas sākotnējais stāvoklis ir nelīdzsvarots, tad laika gaitā tā pāriet uz līdzsvara stāvokli, palielinot tās entropiju. Šis process notiek tikai vienā virzienā. Reversais process – pāreja no līdzsvara stāvokļa uz sākotnējo nelīdzsvarotu – netiek realizēts. Tas ir, laika plūsma saņem virzienu.
Fizikas likumi, kas apraksta mikroskopisko pasauli, ir nemainīgi, aizstājot t ar -t. Šis apgalvojums attiecas gan uz klasiskās mehānikas likumiem, gan uz kvantu mehānikas likumiem. Mikroskopiskajā pasaulē darbojas konservatīvie spēki, nav berzes, kas ir enerģijas izkliedēšana, t.i. citu enerģijas veidu pārvēršana siltuma kustības enerģijā, un tas savukārt ir saistīts ar nesamazinošas entropijas likumu.
Iedomājieties, piemēram, gāzi rezervuārā, kas ievietota lielākā rezervuārā. Ja atverat mazākās tvertnes vārstu, gāze pēc kāda laika piepildīs lielāko tvertni, lai tās blīvums tiktu izlīdzināts. Pēc mikroskopiskās pasaules likumiem notiek arī apgriezts process, kad gāze no lielāka rezervuāra tiek savākta mazākā traukā. Bet makroskopiskajā pasaulē tas nekad nenotiek.
Ja katras izolētās sistēmas entropija ar laiku tikai palielinās un Visums ir izolēta sistēma, tad kādreiz entropija sasniegs maksimumu, pēc kura jebkādas izmaiņas tajā kļūs neiespējamas.
Šādi apsvērumi, kas parādījās pēc termodinamikas otrā likuma izveidošanas, sauc karstuma nāve.Šī hipotēze tika plaši apspriesta 19. gadsimtā.
Katrs process pasaulē noved pie daļas enerģijas izkliedēšanas un tās pārvēršanas siltumā, izraisot lielāku nekārtību. Protams, mūsu Visums joprojām ir diezgan jauns. Kodoltermiskie procesi zvaigznēs izraisa, piemēram, vienmērīgu enerģijas plūsmu uz Zemi. Zeme ir un ilgu laiku paliks atvērta sistēma, kas saņem enerģiju no dažādiem avotiem: no Saules, no procesiem. radioaktīvā sabrukšana kodolā, t.i., atvērtajās sistēmās entropija var samazināties, kas noved pie dažādu ērtu struktūru rašanās.

Otrais termodinamikas likums. Entropija.

Otrais likums ir saistīts ar entropijas jēdzienu, kas ir haosa mērs (vai kārtības mērs). Otrais termodinamikas likums nosaka, ka Visumam kopumā entropija palielinās.

Ir divas klasiskās termodinamikas likuma definīcijas:

• Kelvins un Planks

Nav cikliska procesa, kas noteiktā temperatūrā no rezervuāra iegūst noteiktu siltuma daudzumu un pilnībā pārvērš šo siltumu darbā. (Nav iespējams izveidot periodiski strādājošu mašīnu, kas nedara neko citu kā tikai paceļ kravu un atdzesē siltuma rezervuāru)

• Klausijs

Nav procesa, kura vienīgais rezultāts būtu siltuma pārnešana no mazāk uzkarsēta ķermeņa uz vairāk sakarsētu. (Ir neiespējams apļveida process, kura vienīgais rezultāts būtu darba ražošana, atdzesējot siltuma rezervuāru)

Abas otrā termodinamikas likuma definīcijas balstās uz pirmo termodinamikas likumu, kas nosaka, ka enerģija samazinās.

Otrais likums ir saistīts ar jēdzienu entropija (S).

Entropija ko rada visi procesi, tas ir saistīts ar sistēmas darba spējas zudumu. Entropijas pieaugums ir spontāns process. Ja sistēmas tilpums un enerģija ir nemainīgi, tad jebkuras izmaiņas sistēmā palielina entropiju. Ja mainās sistēmas tilpums vai enerģija, sistēmas entropija samazinās. Tomēr Visuma entropija nesamazinās.

Lai enerģija tiktu izmantota, sistēmā ir jābūt augsta un zema enerģijas līmeņa zonām. Nodergais darbs tiek raots enerijas prnesanas rezultt no regiona ar augsts līmenis enerģiju apgabalā ar zemu enerģijas līmeni.

• 100% enerģijas nevar pārvērst darbā
• Entropiju var radīt, bet to nevar iznīcināt

Siltumdzinēja efektivitāte

Siltumdzinēja efektivitāti, kas darbojas starp diviem enerģijas līmeņiem, nosaka absolūtās temperatūras izteiksmē

η = (T h - T c) / T h = 1 - T c / T h

η = efektivitāte

T c = apakšējā temperatūras robeža (K)

Lai sasniegtu maksimālu efektivitāti, Tc jābūt pēc iespējas zemākam. Lai efekts būtu 100%, T c ir jābūt vienādam ar 0 Kelvina skalā. Praksē tas nav iespējams, tāpēc efektivitāte vienmēr ir mazāka par 1 (mazāk par 100%).

• Entropijas izmaiņas > 0
  Neatgriezenisks process
• Entropijas izmaiņas = 0
  Divpusējs process (atgriezenisks)
• Entropijas maiņa< 0
  Neiespējami process (nav iespējams)

Entropija nosaka vienas sistēmas relatīvo spēju ietekmēt citu sistēmu. Entropijai palielinoties, enerģijai virzoties uz zemāku enerģijas līmeni, kur samazinās potenciāls ietekmei uz vidi.

Entropijas definīcija

Entropiju definē šādi:

T = absolūtā temperatūra (K)

Sistēmas entropijas izmaiņas izraisa temperatūras satura izmaiņas tajā. Entropijas izmaiņas ir vienādas ar sistēmas temperatūras izmaiņām, kas dalītas ar vidējo absolūtā temperatūra(Ta):

Vērtību summa (H/T) katram pilnajam Kārno ciklam ir 0. Tas ir tāpēc, ka katrs pozitīvais H ir pretstats negatīva vērtība H.

• Carnot termiskais cikls

Carnot cikls ir ideāls termodinamiskais cikls.

Siltumdzinējā gāze tiek (atgriezeniski) uzsildīta un pēc tam atdzesēta. Cikla modelis ir šāds: 1. pozīcija ---() --> 2. pozīcija ---() --> 3. pozīcija -- (izotermiskā saspiešana) --> 4. pozīcija -- (adiabātiskā saspiešana) --> 1. pozīcija

1. pozīcija — 2. pozīcija: izotermiska izplešanās
Izotermiskā izplešanās. Procesa sākumā darba šķidrumam ir temperatūra T h, tas ir, sildītāja temperatūra. Pēc tam ķermenis nonāk saskarē ar sildītāju, kas izotermiski (konstantā temperatūrā) nodod tam noteiktu siltuma daudzumu QH. Tajā pašā laikā palielinās darba šķidruma tilpums. Q H =∫Tds = T h (S 2 -S 1) = T h ΔS
2. pozīcija — 3. pozīcija: adiabātiskā izplešanās
Adiabātiskā (isentropiskā) izplešanās. Darba šķidrums tiek atvienots no sildītāja un turpina paplašināties bez siltuma apmaiņas ar vidi. Tajā pašā laikā tā temperatūra samazinās līdz ledusskapja temperatūrai.
3. pozīcija — 4. pozīcija: izotermiska saspiešana
Izotermiskā saspiešana. Darba šķidrums, kura temperatūra līdz tam laikam ir Tc, nonāk saskarē ar ledusskapi un sāk izotermiski saspiesties, dodot ledusskapim siltuma daudzumu Qc. Q c =T c (S 2 -S 1) = T c ΔS
4. pozīcija — 1. pozīcija: adiabātiskā saspiešana
Adiabātiskā (isentropiskā) kompresija. Darba šķidrums tiek atvienots no ledusskapja un saspiests bez siltuma apmaiņas ar vidi. Tajā pašā laikā tā temperatūra paaugstinās līdz sildītāja temperatūrai.

Izotermisko procesu laikā adiabātisko procesu laikā temperatūra saglabājas nemainīga, nenotiek siltuma apmaiņa, kas nozīmē, ka tiek saglabāta entropija.

Tāpēc ir ērti attēlot Kārno ciklu T un S koordinātēs (temperatūra un entropija).

Termodinamikas likumi tika noteikti empīriski (eksperimentāli). Otrais termodinamikas likums ir ar entropiju saistīto eksperimentu vispārinājums. Ir zināms, ka sistēmas dS plus vides dS ir vienāds ar 0 vai lielāks par to.

• Adiabātiski izolētas sistēmas entropija nemainās!

Piemērs - Entropija, sildot ūdeni

1 kg ūdens sildīšanas process no 0 līdz 100 o C (273 līdz 373 K)

Pie 0 o C = 0 kJ/kg (īpaši — uz masas vienību)

Pie 100 o C = 419 kJ/kg

Īpatnējās entropijas izmaiņas:

dS = dH / T a

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

= 1.297 kJ/kg*K

Piemērs - Entropija ūdens iztvaikošanas laikā

Process, kurā 1 kg ūdens 100 o C (373 K) pārvērš par piesātināts tvaiks 100 o C (373 K) temperatūrā normālos apstākļos.

Tvaika īpatnējā entalpija 100 o C (373 K) temperatūrā uz iztvaikošana = 0 kJ/kg

100 o C (373 K) plkst iztvaikošana = 2258 kJ/kg

Īpatnējās entropijas izmaiņas:

dS = dH / T a

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

= 6.054 kJ/kg*K

Kopējās ūdens iztvaikošanas īpatnējās entropijas izmaiņas ir ūdens īpatnējās entropijas (pie 0 o C) plus tvaika īpatnējās entropijas (100 o C temperatūrā) summa.

Kā tiek ģenerēta enerģija, kā tā tiek pārveidota no vienas formas citā un kas notiek ar enerģiju slēgtā sistēmā? Termodinamikas likumi palīdzēs atbildēt uz visiem šiem jautājumiem. Otrais termodinamikas likums šodien tiks apspriests sīkāk.

Likumi ikdienā

Likumi regulē ikdienas dzīvi. Satiksmes likumi nosaka, ka jums jāapstājas pie stop zīmēm. Valdības darbiniekiem ir jānodrošina daļa no savām algām štatam un federālajai valdībai. Pat zinātniskie attiecas uz ikdienas dzīve. Piemēram, gravitācijas likums paredz diezgan sliktu iznākumu tiem, kas mēģina lidot. Vēl viens zinātnisko likumu kopums, kas ietekmē ikdienas dzīvi, ir termodinamikas likumi. Tātad, var sniegt vairākus piemērus, lai redzētu, kā tie ietekmē ikdienas dzīvi.

Pirmais termodinamikas likums

Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka enerģiju nevar radīt vai iznīcināt, bet to var pārvērst no vienas formas citā. To dažreiz sauc arī par enerģijas nezūdamības likumu. Tātad, kā tas attiecas uz ikdienas dzīvi? Ņemiet, piemēram, datoru, kuru izmantojat tagad. Tas barojas ar enerģiju, bet no kurienes šī enerģija rodas? Pirmais termodinamikas likums mums saka, ka šī enerģija nevarēja rasties no zila gaisa, tāpēc tā nāca no kaut kurienes.

Jūs varat izsekot šai enerģijai. Datoru darbina elektrība, bet no kurienes šī elektrība? Tieši tā, no elektrostacijas vai hidroelektrostacijas. Ja mēs apsvērsim otro, tas būs saistīts ar dambi, kas aiztur upi. Upei ir saikne ar kinētisko enerģiju, kas nozīmē, ka upe plūst. Dambis šo kinētisko enerģiju pārvērš potenciālajā enerģijā.

Kā darbojas hidroelektrostacija? Turbīnas rotēšanai tiek izmantots ūdens. Kad turbīna griežas, tiek darbināts ģenerators, kas radīs elektrību. Šo elektroenerģiju var pilnībā pārvadīt pa vadiem no elektrostacijas uz jūsu māju, lai, pievienojot strāvas vadu elektrības kontaktligzdai, elektrība ieplūst jūsu datorā, lai tas varētu darboties.

Kas te notika? Jau bija zināms enerģijas daudzums, kas bija saistīts ar ūdeni upē kinētiskā enerģija. Tad tas pārvērtās potenciālā enerģijā. Pēc tam dambis paņēma šo potenciālo enerģiju un pārvērta to elektrībā, kas pēc tam varētu nonākt jūsu mājās un darbināt datoru.

Otrais termodinamikas likums

Izpētot šo likumu, var saprast, kā darbojas enerģija un kāpēc viss virzās uz iespējamo haosu un nekārtībām. Otro termodinamikas likumu sauc arī par entropijas likumu. Vai esat kādreiz domājuši, kā radās Visums? Saskaņā ar teoriju Lielais sprādziens, pirms visapkārt piedzima milzīgs enerģijas daudzums. Pēc Lielā sprādziena parādījās Visums. Tas viss ir labi, bet kāda tā bija enerģija? Laika sākumā visa enerģija Visumā bija ietverta vienā salīdzinoši mazā vietā. Šī intensīvā koncentrācija pārstāvēja milzīgu daudzumu tā sauktās potenciālās enerģijas. Laika gaitā tas izplatījās visā mūsu Visuma plašumos.

Daudz mazākā mērogā ūdens rezervuārs, ko tur aizsprosts, satur potenciālo enerģiju, jo tā atrašanās vieta ļauj tai plūst cauri aizsprostam. Katrā gadījumā uzkrātā enerģija, kad tā ir atbrīvota, izplatās un dara to bez jebkādām pūlēm. Citiem vārdiem sakot, atbrīvot potenciālā enerģija ir spontāns process, kas notiek bez papildu resursiem. Enerģijai izplatoties, daļa no tās tiek pārvērsta noderīgā enerģijā un daļēji darbojas. Pārējais tiek pārvērsts nederīgā enerģijā, ko vienkārši sauc par siltumu.

Visumam turpinot paplašināties, tajā ir arvien mazāk noderīgas enerģijas. Ja ir pieejams mazāk noderīgs, var paveikt mazāk darba. Ūdenim plūstot cauri aizsprostam, tajā ir arī mazāk lietderīgās enerģijas. Šo lietderīgās enerģijas samazināšanos laika gaitā sauc par entropiju, kur entropija ir neizmantotās enerģijas daudzums sistēmā, un sistēma ir vienkārši objektu kopums, kas veido veselumu.

Entropiju var saukt arī par nejaušības vai haosa daudzumu organizācijā bez organizācijas. Tā kā lietderīgā enerģija laika gaitā samazinās, palielinās dezorganizācija un haoss. Tādējādi, atbrīvojoties uzkrātajai potenciālajai enerģijai, ne visa tā tiek pārvērsta lietderīgā enerģijā. Visas sistēmas laika gaitā piedzīvo šo entropijas pieaugumu. Tas ir ļoti svarīgi saprast, un šo parādību sauc par otro termodinamikas likumu.

Entropija: nejaušība vai defekts

Kā jūs, iespējams, uzminējāt, otrais likums seko pirmajam, ko parasti sauc par enerģijas nezūdamības likumu, un tas nosaka, ka enerģiju nevar radīt un to nevar iznīcināt. Citiem vārdiem sakot, enerģijas daudzums Visumā vai jebkurā sistēmā ir nemainīgs. Otro termodinamikas likumu parasti sauc par entropijas likumu, un tas apgalvo, ka laika gaitā enerģija kļūst mazāk noderīga un tās kvalitāte laika gaitā samazinās. Entropija ir sistēmas nejaušības vai defektu pakāpe. Ja sistēma ir ļoti nesakārtota, tad tai ir augsta entropija. Ja sistēmā ir daudz kļūdu, tad entropija ir zema.

Runājot vienkāršos vārdos, otrais termodinamikas likums nosaka, ka sistēmas entropija laika gaitā nevar samazināties. Tas nozīmē, ka dabā lietas pāriet no sakārtotības stāvokļa uz nekārtības stāvokli. Un tas ir neatgriezeniski. Sistēma pati par sevi nekad nekļūs sakārtotāka. Citiem vārdiem sakot, dabā sistēmas entropija vienmēr palielinās. Viens veids, kā par to domāt, ir jūsu mājas. Ja jūs to nekad netīrīsit un neizsūciet, tad diezgan drīz jums būs briesmīgs haoss. Entropija ir palielinājusies! Lai to samazinātu, ir jāpieliek enerģija, lai izmantotu putekļu sūcēju un mopu, lai notīrītu putekļus no virsmas. Māja pati no sevis netīrīsies.

Kāds ir otrais termodinamikas likums? Formulējums vienkāršos vārdos norāda, ka tad, kad enerģija mainās no vienas formas uz citu, matērija vai nu brīvi pārvietojas, vai palielinās entropija (traucējumi) slēgtā sistēmā. Temperatūras, spiediena un blīvuma atšķirības pēc kāda laika mēdz izlīdzināties horizontāli. Smaguma dēļ blīvums un spiediens vertikāli neizlīdzinās. Blīvums un spiediens apakšā būs lielāks nekā augšpusē. Entropija ir matērijas un enerģijas sadalījuma mērs visur, kur tai ir piekļuve. Visizplatītākais termodinamikas otrā likuma formulējums galvenokārt ir saistīts ar Rūdolfu Klausiusu, kurš teica:

Nav iespējams izveidot ierīci, kas nerada nekādu citu efektu kā tikai siltuma pārnesi no ķermeņa ar zemāku temperatūru uz ķermeni ar augstāku temperatūru. augsta temperatūra.

Citiem vārdiem sakot, viss laika gaitā cenšas uzturēt tādu pašu temperatūru. Ir daudz otrā termodinamikas likuma formulējumu, kas izmanto dažādus terminus, taču tie visi nozīmē vienu un to pašu. Vēl viens Clausius paziņojums:

Siltums pats par sevi nenotiek no aukstāka ķermeņa uz karstāku ķermeni.

Otrais likums attiecas tikai uz lielas sistēmas. Tas attiecas uz tādas sistēmas iespējamo uzvedību, kurā nav enerģijas vai matērijas. Jo lielāka sistēma, jo lielāka iespējamība ir otrajam likumam.

Vēl viens likuma formulējums:

Kopējā entropija vienmēr palielinās spontānā procesā.

Entropijas ΔS pieaugumam procesa laikā ir jāpārsniedz vai jābūt vienādam ar sistēmu nodotā ​​siltuma daudzuma Q attiecību pret temperatūru T, kurā siltums tiek nodots.

Termodinamiskā sistēma

IN vispārīgā nozīmē Otrā termodinamikas likuma formulējums vienkāršā izteiksmē norāda, ka temperatūras atšķirības starp sistēmām, kas saskaras viena ar otru, mēdz izlīdzināties un ka no šīm nelīdzsvarotajām atšķirībām var iegūt darbu. Bet tajā pašā laikā tiek zaudēta siltumenerģija, un palielinās entropija. Spiediena, blīvuma un temperatūras atšķirības mēdz izlīdzināties, ja tiek dota iespēja; Blīvums un spiediens, bet ne temperatūra, ir atkarīgi no gravitācijas. Siltumdzinējs ir mehāniska ierīce, kas divu ķermeņu temperatūras starpības dēļ rada lietderīgu darbu.

Termodinamiskā sistēma ir tāda, kas mijiedarbojas un apmainās ar enerģiju ar apkārtējo reģionu. Apmaiņai un pārsūtīšanai jānotiek vismaz divos veidos. Vienam no veidiem jābūt siltuma pārnesei. Ja termodinamiskā sistēma ir "līdzsvarā", tā nevar mainīt savu stāvokli vai statusu, nedarbojoties ar vidi. Vienkārši sakot, ja jūs esat līdzsvarā, jūs esat "laimīgā sistēma", jūs neko nevarat darīt. Ja vēlaties kaut ko darīt, jums ir jāsazinās ar apkārtējo pasauli.

Otrais termodinamikas likums: procesu neatgriezeniskums

Nav iespējams veikt ciklisku (atkārtotu) procesu, kas pilnībā pārvērš siltumu darbā. Tāpat nav iespējams izveidot procesu, kas pārnes siltumu no aukstiem objektiem uz siltiem objektiem, neizmantojot darbu. Daļa enerģijas reakcijā vienmēr tiek zaudēta karsējot. Turklāt sistēma nevar pārvērst visu savu enerģiju darba enerģijā. Likuma otrā daļa ir acīmredzamāka.

Auksts ķermenis nevar sildīt siltu ķermeni. Silts dabiski mēdz plūst no siltākām uz vēsākām vietām. Ja siltums pāriet no vēsākas uz siltāku temperatūru, tas ir pretrunā ar to, kas ir "dabisks", tāpēc sistēmai ir jādara zināms darbs, lai tas notiktu. dabā - otrais termodinamikas likums. Tas, iespējams, ir slavenākais (vismaz zinātnieku vidū) un svarīgākais likums visā zinātnē. Viens no viņa formulējumiem:

Visuma entropijai ir tendence sasniegt maksimumu.

Citiem vārdiem sakot, entropija vai nu paliek nemainīga, vai arī kļūst lielāka, Visuma entropija nekad nevar samazināties. Problēma ir tā, ka tā vienmēr ir taisnība. Ja paņemat smaržu pudeli un izsmidzināt to telpā, drīz smaržīgie atomi piepildīs visu telpu, un šis process ir neatgriezenisks.

Sakarības termodinamikā

Termodinamikas likumi apraksta attiecības starp siltumenerģiju jeb siltumu un citiem enerģijas veidiem un to, kā enerģija ietekmē vielu. Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka enerģiju nevar radīt vai iznīcināt; kopējais daudzums enerģija Visumā paliek nemainīga. Otrais termodinamikas likums attiecas uz enerģijas kvalitāti. Tajā teikts, ka, pārejot vai pārveidojot enerģiju, tiek zaudēts arvien vairāk noderīgas enerģijas. Otrais likums arī nosaka, ka jebkurai izolētai sistēmai ir dabiska tendence kļūt nesakārtotākai.

Pat ja pasūtījums palielinās noteikta vieta ja ņem vērā visu sistēmu, ieskaitot vidi, vienmēr palielinās entropija. Citā piemērā, kad ūdens tiek iztvaicēts, no sāls šķīduma var veidoties kristāli. Kristāli ir sakārtotāki nekā sāls molekulas šķīdumā; tomēr iztvaicēts ūdens ir daudz netīrāks nekā šķidrs ūdens. Process kopumā rada neto traucējumu pieaugumu.

Darbs un enerģija

Otrais likums izskaidro, ka siltumenerģiju nav iespējams pārveidot mehāniskajā enerģijā ar 100 procentu efektivitāti. Varat sniegt piemēru ar automašīnu. Pēc gāzes sildīšanas procesa, lai palielinātu tās spiedienu virzuļa iedarbināšanai, gāzē vienmēr paliek nedaudz siltuma, ko nevar izmantot papildu darbs. Šis siltuma pārpalikums ir jānoraida, pārnesot to uz radiatoru. Automobiļa dzinēja gadījumā tas tiek darīts, izvadot atmosfērā lietoto degvielu un gaisa maisījumu.

Turklāt jebkura ierīce ar kustīgām daļām rada berzi, kas mehānisko enerģiju pārvērš siltumā, kas parasti ir nelietojama un ir jānoņem no sistēmas, pārnesot to uz siltuma izlietni. Kad karsts un auksts ķermenis saskaras viens ar otru, siltumenerģija plūst no karsta ķermeņa uz aukstu ķermeni, līdz tie sasniegs termisko līdzsvaru. Tomēr siltums nekad neatgriezīsies pretējā virzienā; temperatūras starpība starp diviem ķermeņiem nekad spontāni nepalielināsies. Siltuma pārvietošana no auksta ķermeņa uz karstu ķermeni prasa darbu, kas jāveic ar ārēju enerģijas avotu, piemēram, siltumsūkni.

Visuma liktenis

Otrais likums arī paredz Visuma galu. Tas ir augstākais nekārtības līmenis, ja visur ir pastāvīgs termiskais līdzsvars, darbu nevar veikt un visa enerģija beigsies kā nejauša atomu un molekulu kustība. Saskaņā ar mūsdienu datiem, metagalaktika ir izplešas nestacionāra sistēma, par Visuma termisko nāvi nevar būt ne runas. Siltuma nāve ir termiskā līdzsvara stāvoklis, kurā visi procesi beidzas.

Šī pozīcija ir kļūdaina, jo otrais termodinamikas likums attiecas tikai uz slēgtām sistēmām. Un Visums, kā mēs zinām, ir neierobežots. Tomēr pats termins “Visuma karstuma nāve” dažkārt tiek lietots, lai apzīmētu Visuma turpmākās attīstības scenāriju, saskaņā ar kuru tas bezgalīgi turpinās izplesties kosmosa tumsā, līdz pārvērtīsies izkaisītos aukstos putekļos.

Kā zināms, pirmais termodinamikas likums atspoguļo termodinamisko procesu enerģijas nezūdamības likumu, bet nedod priekšstatu par procesu virzību. Turklāt jūs varat izdomāt daudzus termodinamiskos procesus, kas nebūs pretrunā ar pirmo likumu, taču patiesībā šādi procesi neeksistē. Otrā termodinamikas likuma (likuma) pastāvēšanu izraisa nepieciešamība konstatēt konkrēta procesa iespējamību. Šis likums nosaka termodinamisko procesu plūsmas virzienu. Formulējot otro termodinamikas likumu, viņi izmanto entropijas un Klausiusa nevienādības jēdzienus. Šajā gadījumā otrais termodinamikas likums tiek formulēts kā slēgtas sistēmas entropijas pieauguma likums, ja process ir neatgriezenisks.

Termodinamikas otrā likuma apgalvojumi

Ja process notiek slēgtā sistēmā, tad šīs sistēmas entropija nesamazinās. Formulas veidā otrais termodinamikas likums ir uzrakstīts šādi:

kur S ir entropija; L ir ceļš, pa kuru sistēma pārvietojas no viena stāvokļa uz otru.

Šajā termodinamikas otrā likuma formulējumā uzmanība jāpievērš tam, ka aplūkojamai sistēmai jābūt slēgtai. Atvērtā sistēmā entropija var darboties jebkādā veidā (tā var samazināties, palielināties vai palikt nemainīga). Ņemiet vērā, ka entropija nemainās slēgtā sistēmā atgriezenisku procesu laikā.

Entropijas pieaugums slēgtā sistēmā neatgriezenisku procesu laikā ir termodinamiskās sistēmas pāreja no stāvokļiem ar mazāku varbūtību uz stāvokļiem ar lielāku varbūtību. Slavenā Bolcmaņa formula sniedz statistisku termodinamikas likuma interpretāciju:

kur k ir Bolcmaņa konstante; w - termodinamiskā varbūtība (veidu skaits, kādos var realizēt aplūkojamās sistēmas makrostāvokli). Tādējādi otrais termodinamikas likums ir statistikas likums, kas saistīts ar termodinamisko sistēmu veidojošo molekulu termiskās (haotiskās) kustības modeļu aprakstu.

Citi termodinamikas otrā likuma formulējumi

Ir vairāki citi termodinamikas otrā likuma formulējumi:

1) Kelvina formulējums: Nav iespējams izveidot apļveida procesu, kura rezultāts būs tikai no sildītāja saņemtā siltuma pārvēršana darbā. No šī termodinamikas otrā likuma formulējuma viņi secina, ka to nav iespējams izveidot mūžīgā kustības mašīna otrais veids. Tas nozīmē, ka periodiski darbojas siltuma dzinējs jābūt sildītājam, darba šķidrumam un ledusskapim. Šajā gadījumā ideāla siltuma dzinēja efektivitāte nevar būt lielāka par Carnot cikla efektivitāti:

kur ir sildītāja temperatūra; — ledusskapja temperatūra; ( title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) Klausiusa formulējums: Nav iespējams izveidot apļveida procesu, kura rezultātā no ķermeņa ar zemāku temperatūru notiktu tikai siltuma pārnešana uz ķermeni ar augstāku temperatūru.

Otrais termodinamikas likums atzīmē būtisku atšķirību starp diviem enerģijas pārneses veidiem (darbu un siltumu). No šī likuma izriet, ka ķermeņa sakārtotas kustības pāreja kopumā uz ķermeņa molekulu haotisko kustību un ārējā vide- ir neatgriezenisks process. Šādā gadījumā sakārtota kustība var pārvērsties haotiskā bez papildu (kompensācijas) procesiem. Tā kā pārejai no nesakārtotas kustības uz sakārtotu kustību ir jāpavada kompensācijas process.

Problēmu risināšanas piemēri

1. PIEMĒRS

Vingrinājums

Kāda ir “Visuma siltuma nāves” problēmas būtība? Kāpēc šī problēma ir nepieņemama?

Risinājums

Šī problēma tika formulēts 19. gadsimtā. Ja mēs uzskatām Visumu par slēgtu sistēmu un mēģināsim tai piemērot otro termodinamikas likumu, tad saskaņā ar Klausiusa hipotēzi Visuma entropija sasniegs noteiktu maksimumu. Tas ir, pēc kāda laika visi kustības veidi kļūs par termiskām kustībām. Viss siltums no ķermeņiem ar augstāku temperatūru nonāks ķermeņos ar augstāku temperatūru. zema temperatūra, tas ir, visu ķermeņu temperatūras Visumā kļūs vienādas. Visums nonāks termiskā līdzsvara stāvoklī, visi procesi apstāsies – to sauc par Visuma termisko nāvi. Kļūda šo noteikumu par Visuma termisko nāvi slēpjas faktā, ka otrais termodinamikas likums nav piemērojams atvērtām sistēmām, un Visumu nevajadzētu uzskatīt par slēgtu. Tā kā tas ir neierobežots un sastāv no nebeidzamas attīstības.

2. PIEMĒRS

Vingrinājums

Kāda ir 1. attēlā parādītā cikla efektivitāte? Apsveriet, ka procesā ir iesaistīta ideāla gāze (brīvības pakāpju skaits ir i) un tās tilpums mainās n reizes.

Risinājums

Koeficients noderīga darbība ciklu, kas parādīts 1. attēlā, mēs to atrodam šādi: kur ir siltuma daudzums, ko darba šķidrums saņem no sildītāja parādītajā ciklā. Adiabātiskajos procesos nenotiek siltuma padeve vai noņemšana, izrādās, ka siltums tiek piegādāts tikai 1.-2. - siltuma daudzums, kas tiek noņemts no gāzes procesā 3-4. Izmantojot pirmo termodinamikas likumu, mēs atrodam siltuma daudzumu, ko gāze saņem procesā 1-2, kas ir izohorisks: jo šajā procesā apjoms nemainās. Mainīt iekšējā enerģija gāzi mēs definējam kā: Pēc analoģijas izohoriskam procesam, kurā tiek noņemts siltums, mums ir: Aizstāsim iegūto rezultātu (2.2 - 2.5) izteiksmē (2.1): Mēs izmantojam adiabātisko vienādojumu, lai atrastu temperatūras atšķirības, un ņemam vērā 1. att. Procesam 2-3 mēs rakstām:

Pirmais termodinamikas likums ir viens no vispārīgākajiem un fundamentālajiem dabas likumiem. Nav zināms neviens process, kur vismaz

zināmā mērā būtu tā pārkāpums. Ja kāds process ir aizliegts ar pirmo likumu, tad varat būt pilnīgi drošs, ka tas nekad nenotiks. Taču šis likums nedod nekādas norādes uz to, kādā virzienā attīstās procesi, kas atbilst enerģijas nezūdamības principam.

Paskaidrosim to ar piemēriem.

Termisko procesu virziens. Pirmais termodinamikas likums neko nepasaka par to, kādā virzienā notiek siltuma apmaiņa starp ķermeņiem, kas nonāk termiskā kontaktā un atrodas dažādās temperatūrās. Kā minēts iepriekš, siltuma apmaiņa notiek tādā veidā, ka temperatūra tiek izlīdzināta un visa sistēma tiecas uz termiskā līdzsvara stāvokli. Bet pirmais likums netiktu pārkāpts, ja, gluži pretēji, siltuma pārnešana no ķermeņa ar zemu temperatūru uz ķermeni ar augstāku, ar nosacījumu, ka kopējā iekšējās enerģijas piegāde nemainīsies. Tomēr ikdienas pieredze rāda, ka tas nekad nenotiek pats no sevis.

Cits piemērs: akmenim krītot no noteikta augstuma, tam atsitoties pret zemi pazūd visa tā translācijas kustības kinētiskā enerģija, bet tajā pašā laikā palielinās paša akmens un to apkārtējo ķermeņu iekšējā enerģija, tā ka likums enerģijas saglabāšanas, protams, netiek pārkāpta. Bet pirmajam termodinamikas likumam nebūtu pretrunā apgrieztais process, kurā no apkārtējiem priekšmetiem uz zemē guļošu akmeni tiktu nodots noteikts siltuma daudzums, kā rezultātā akmens paceltos noteiktā augstumā. Taču tik spontāni lecošus akmeņus neviens vēl nav novērojis.

Nevienlīdzība dažādi veidi enerģiju. Domājot par šiem un citiem līdzīgiem piemēriem, mēs nonākam pie secinājuma, ka pirmais termodinamikas likums neuzliek nekādus ierobežojumus enerģijas pārveidošanās virzienam no viena veida uz otru un siltuma pārneses virzienam starp ķermeņiem, kas prasa tikai pilnas enerģijas rezerves saglabāšana slēgtās sistēmās. Tikmēr pieredze rāda, ka dažādi enerģijas veidi nav līdzvērtīgi pēc spējas pārveidoties citos veidos.

Mehānisko enerģiju var pilnībā pārvērst jebkura ķermeņa iekšējā enerģijā neatkarīgi no tā, kāda bija tā temperatūra. Patiešām, jebkuru ķermeni var sildīt ar berzi, palielinot tā iekšējo enerģiju par summu, kas vienāda ar paveikto darbu. Tieši tāpat elektriskā enerģija var pilnībā pārveidot par iekšējo, piemēram, kad elektriskā strāva iet caur pretestību.

Iekšējās enerģijas reversai pārveidošanai citos veidos ir noteikti ierobežojumi, kas sastāv no tā, ka iekšējās enerģijas krājumus nekādā gadījumā nevar pārveidot.

pilnībā izmantot citus enerģijas veidus. Atzīmētās enerģijas transformāciju iezīmes ir saistītas ar procesu virzību dabā. Otrais termodinamikas likums, kas atspoguļo dabisko procesu virzienu un uzliek ierobežojumus iespējamajiem enerģijas pārveidošanas virzieniem makroskopiskās sistēmās, tāpat kā jebkurš pamatlikums, ir vispārinājums. liels skaits piedzīvoti fakti.

Lai skaidrāk iztēlotu termodinamikas otrā likuma fizisko saturu, sīkāk aplūkosim termisko procesu atgriezeniskuma jautājumu.

Atgriezeniski un neatgriezeniski procesi. Ja apstākļi tiek mainīti pietiekami lēni, lai attiecīgajā sistēmā notiekošā procesa ātrums būtu ievērojams mazāks ātrums relaksācija, tad šāds process fiziski attēlos līdzsvara stāvokļu ķēdi tuvu viens otram. Tāpēc šādu procesu apraksta ar tādiem pašiem makroskopiskajiem parametriem kā līdzsvara stāvokli. Šos lēnos procesus sauc par līdzsvarotiem vai kvazistatiskiem. Šādos procesos sistēmu var raksturot ar tādiem parametriem kā spiediens, temperatūra utt. Reālie procesi ir nelīdzsvaroti, un tos var uzskatīt par līdzsvarotiem ar lielāku vai mazāku precizitāti.

Apsveriet šādus piemērus.

Ļaujiet gāzei atrasties cilindriskā traukā, kas noslēgts ar virzuli. Ja virzuli pagarināsit ar ierobežotu ātrumu, tad gāzes izplešanās būs neatgriezenisks process. Patiešām, tiklīdz virzulis ir izbīdīts, gāzes spiediens tieši pie virzuļa būs mazāks nekā citās cilindra daļās. Šādu procesu nevar veikt atgriezeniski caur tiem pašiem starpstāvokļiem, jo, virzuli atspiežot ar ierobežotu ātrumu, virzuļa tuvumā notiks nevis gāzes retums, bet gan tā saspiešana. Tādējādi gāzes strauja izplešanās vai saspiešana ir neatgriezeniska procesa piemērs.

Lai gāzi paplašinātu stingri atgriezeniskā veidā, virzulis jāvirza bezgalīgi lēni. Šajā gadījumā gāzes spiediens katrā brīdī būs vienāds visā tilpumā, gāzes stāvoklis būs atkarīgs no virzuļa stāvokļa, nevis no tā kustības virziena, un process būs atgriezenisks.

Gāzes izplešanās procesa neatgriezeniskums visspilgtāk izpaužas, kad izplešanās notiek tukšumā, nepabeidzot. mehāniskais darbs.

Visi procesi, ko pavada siltuma apmaiņa starp ķermeņiem, kam dažādas temperatūras. Šādas siltuma apmaiņas neatgriezeniskums ir īpaši skaidri redzams saskarē nonākušo ķermeņu temperatūru izlīdzināšanas piemērā.

Neatgriezeniski procesi ir tie, kuros mehāniskā enerģija tiek pārvērsta iekšējā enerģijā berzes klātbūtnē, ko bieži dēvē par siltuma izdalīšanos berzes dēļ. Ja nebūtu berzes, visi mehāniskie procesi noritētu atgriezeniski.

Tādējādi līdzsvara atgriezeniskie procesi ir abstrakcija, un praksē berzes un siltuma pārneses dēļ tie nenotiek. Tomēr līdzsvara procesu izpēte termodinamikā ļauj norādīt, kā procesi būtu jāveic reālās sistēmās, lai iegūtu labākos rezultātus.

Termodinamikas otrā likuma dažādi formulējumi. Vēsturiski otrā termodinamikas likuma atklāšana bija saistīta ar pētījumu par jautājumu par siltumdzinēju maksimālo efektivitāti, ko veica franču zinātnieks Sadi Carnot. Vēlāk R. Clausius un W. Thomson (lords Kelvins) ierosināja dažādus, bet līdzvērtīgus otrā termodinamikas likuma formulējumus.

Saskaņā ar Clausius formulējumu nav iespējams process, kura vienīgais rezultāts būtu siltuma pārnešana no ķermeņa ar zemāku temperatūru uz ķermeni ar augstāku temperatūru.

Otro termodinamikas likumu Tomsons formulēja šādi: nav iespējams periodisks process, kura vienīgais galarezultāts būtu darba izpilde no viena ķermeņa paņemtā siltuma dēļ.

Izteiciens “vienīgais rezultāts” šajos formulējumos nozīmē, ka ne attiecīgajās sistēmās, ne to apkārtējos ķermeņos nenotiek citas izmaiņas, izņemot norādītās. Parastā šāda veida procesa diagramma, ko aizliedz Klausiusa postulāts, ir parādīta attēlā. 56, un process, ko aizliedz Tomsona postulāts, ir parādīts attēlā. 57.

Tomsona formulējumā otrais termodinamikas likums uzliek ierobežojumus iekšējās enerģijas pārvēršanai mehāniskajā enerģijā. No Tomsona formulējuma izriet, ka nav iespējams uzbūvēt mašīnu, kas veiktu darbu, tikai saņemot siltumu no apkārtējās vides. Šādu hipotētisku mašīnu sauca par otrā veida mūžīgās kustības mašīnu, jo, pateicoties neierobežotajām iekšējās enerģijas rezervēm zemē, okeānā un atmosfērā, šāda mašīna visos praktiskos nolūkos būtu līdzvērtīga mūžīgajai kustībai.

Otrā veida mūžīgās kustības mašīna nav pretrunā ar pirmo termodinamikas likumu, atšķirībā no pirmā veida mūžīgās kustības mašīnas, t.i., ierīce darba veikšanai, neizmantojot nekādu enerģijas avotu.

Klausiusa un Tomsona formulējumu līdzvērtība. Otrā termodinamikas likuma formulējumu līdzvērtība,

ko ierosināja Klausijs un Tomsons, ir noteikts ar vienkāršu argumentāciju.

Pieņemsim, ka Tomsona postulāts nav patiess. Tad ir iespējams veikt šādu procesu, kura vienīgais rezultāts būtu darba izpilde no viena avota siltuma dēļ ar temperatūru T. Šo darbu, piemēram, ar berzi varētu atkal pilnībā pārveidot par siltums, kas tiek nodots ķermenim, kura temperatūra ir augstāka par T Vienīgais šāda saliktā procesa rezultāts būtu siltuma pārnešana no ķermeņa ar temperatūru T uz ķermeni ar augstāku temperatūru. Bet tas būtu pretrunā Klausiusa postulātam. Tātad, Clausius postulāts nevar būt derīgs, ja Tomsona postulāts ir nepatiess.

Tagad pieņemsim, ka, gluži pretēji, Klausiusa postulāts ir nederīgs, un mēs parādīsim, ka arī Tomsona postulāts šajā gadījumā nav apmierināms. Uzbūvēsim parastu siltumdzinēju, kas darbosies, saņemot noteiktu siltuma daudzumu no sildītāja, atdodot to ledusskapim un starpību pārvēršot darbā (58. att.).

Tā kā tiek pieņemts, ka Klausiusa postulāts ir nepareizs, ir iespējams veikt procesu, kura vienīgais rezultāts ir vienāda siltuma daudzuma pārnešana no ledusskapja uz sildītāju. Tas shematiski parādīts attēla labajā pusē. 58.

Rīsi. 56. Hipotētiskas ierīces shematiskā diagramma, kurā tiek pārkāpts Klausiusa postulāts

Rīsi. 57. Hipotētiskas ierīces shematiska diagramma, kurā tiek pārkāpts Tomsona postulāts

Rīsi. 58. Attēlā redzamās ierīces apvienošana ar siltumdzinēju. 56, kurā tiek pārkāpts Klausiusa postulāts, iegūstam sistēmu, kurā tiek pārkāpts Tomsona postulāts

Rezultātā sildītājs atdos siltumenerģijas dzinēja darba šķidrumam noteiktu siltuma daudzumu un procesā, kas ir pretrunā ar Klausiusa postulātu, saņems tādu siltuma daudzumu, lai kopumā tas izdalītu siltuma daudzumu. vienāds tieši ar šo summu

Iekārta pārvērš siltumu darbā. Ledusskapī kopumā nekādas izmaiņas nenotiek, jo tas dod un saņem vienādu siltuma daudzumu Tagad ir skaidrs, ka, apvienojot siltuma dzinēja darbību un procesu, kas ir pretrunā ar Klausiusa postulātu, var iegūt procesu. kas ir pretrunā Tomsona postulātam.

Tādējādi Klausija un Tomsona postulāti ir vai nu patiesi, vai abi nepatiesi, un šajā ziņā tie ir līdzvērtīgi. To derīgumu makroskopiskām sistēmām apstiprina visi pieejamie eksperimentālie fakti.

Caratheodory princips. Termodinamikas otrā likuma fiziskais saturs Klausiusa un Tomsona formulējumos ir izteikts apgalvojuma veidā par konkrētu termisko procesu neiespējamību. Bet var dot arī tādu formulējumu, kurā nav norādīts procesa veids, kura neiespējamību nosaka šis likums. Šo formulējumu sauc par Caratheodory principu. Saskaņā ar šo principu jebkuras termodinamiskās sistēmas katra līdzsvara stāvokļa tuvumā ir citi līdzsvara stāvokļi, kas nav sasniedzami no pirmā adiabātiski.

Parādīsim Tomsona formulējuma un Carathéodory principa līdzvērtību. Ļaujiet patvaļīgai termodinamiskai sistēmai kvazistatiski pāriet no kāda stāvokļa 1 uz tuvu stāvokli 2, saņemot noteiktu siltuma daudzumu un veicot darbu, saskaņā ar pirmo termodinamikas likumu

Atgriezīsim sistēmu adiabātiski no stāvokļa 2 stāvoklī Tad šādā apgrieztā procesā siltuma pārnese nenotiek, un pirmais termodinamikas likums dod

kur ir sistēmas veiktais darbs. Saskaitot (1) un (2), mēs iegūstam

Sakarība (3) parāda, ka šādā cikliskā procesā sistēma, atgriezusies sākotnējā stāvoklī, visu saņemto siltumu pārvērta darbā. Bet tas nav iespējams saskaņā ar otro termodinamikas likumu, ko formulējis Tomsons. Tas nozīmē, ka šāds ciklisks process nav iespējams. Tās pirmais posms vienmēr ir iespējams: šajā posmā siltums vienkārši tiek piegādāts sistēmai, un netiek izvirzīti nekādi citi nosacījumi. Tāpēc šeit nav iespējams tikai otrais posms, kad saskaņā ar nosacījumu sistēmai adiabātiski jāatgriežas sākotnējā stāvoklī. Citiem vārdiem sakot,

štats ir adiabātiski nesasniedzams no tai tuva stāvokļa 2.

Adiabātiskās nesasniedzamības princips nozīmē, ka gandrīz viss ir reāls fizikālie procesi notiek ar siltuma apmaiņu: adiabātiskie procesi ir rets izņēmums. Blakus katram līdzsvara stāvoklim ir daudzi citi, uz kuriem pārejai obligāti nepieciešama siltuma apmaiņa, un tikai dažus no tiem var sasniegt adiabātiski.

Pamatojoties uz iepriekš minētajiem otrā termodinamikas likuma formulējumiem, iespējams iegūt Karno rezultātus siltumdzinēju maksimāli iespējamai efektivitātei. Siltumdzinējam, kas darbojas starp sildītāju ar fiksētu temperatūru un ledusskapi ar temperatūru, efektivitātes koeficients nedrīkst pārsniegt vērtību

Augstāko vērtību, kas noteikta pēc formulas (4), sasniedz siltumdzinējs, kas veic atgriezenisku ciklu neatkarīgi no tā, kas tiek izmantots kā darba šķidrums. Šis apgalvojums, ko parasti sauc par Karno teorēmu, tiks pierādīts tālāk.

Cikls ir atgriezenisks, ja tas sastāv no atgriezeniskiem procesiem, tas ir, tiem, kurus var veikt jebkurā virzienā caur to pašu līdzsvara stāvokļu ķēdi.

Rīsi. 59. Carnot cikls ideālās gāzes diagrammā

Vienīgais atgriezeniskais cikliskais process, ko var veikt starp sildītāju un ledusskapi fiksētā temperatūrā, ir tā sauktais Karno cikls, kas sastāv no divām izotermām un diviem adiabātiem. Ideālai gāzei šāds cikls ir parādīts attēlā. 59. 1-2 sadaļā gāzei ir temperatūra, kas vienāda ar sildītāja temperatūru un izotermiski izplešas, saņemot siltuma daudzumu no sildītāja. Šajā gadījumā gāze veic pozitīvu darbu, kas vienāds ar saņemto siltumu. Sadaļā 2-3 gāze izplešas adiabātiski, un tajā pašā laikā tās temperatūra samazinās no līdz vērtībai, kas vienāda ar ledusskapja temperatūru Gāzes veiktais darbs šajā sadaļā ir vienāds ar tās iekšējās enerģijas samazināšanos. Nākamajā sadaļā 3-4 gāze tiek izotermiski saspiesta. Tajā pašā laikā tas pārnes uz ledusskapi siltuma daudzumu, kas ir vienāds ar darbu, kas veikts saspiešanas laikā. Sadaļā 4-1 gāze tiek adiabātiski saspiesta, līdz tā tiek saspiesta

temperatūra nepaaugstināsies līdz vērtībai Gāzes iekšējās enerģijas pieaugums ir vienāds ar ārējo spēku darbu, kas tiek veikts gāzes saspiešanas laikā.

Carnot cikls ir vienīgais slēgtais process, ko var veikt atgriezeniskā veidā. Faktiski adiabātiskie procesi ir atgriezeniski, ja tie tiek veikti pietiekami lēni, tas ir, kvazistatiski. Izotermiskie procesi ir vienīgie procesi, kas saistīti ar siltuma apmaiņu, ko var veikt atgriezeniskā veidā. Jebkurā citā procesā mainās darba šķidruma temperatūra, un saskaņā ar otro termodinamikas likumu siltuma apmaiņa ar sildītāju vai ledusskapi nevar būt atgriezeniska: siltuma apmaiņai ierobežotas temperatūras starpības klātbūtnē ir tuvojas termiskais raksturs. līdzsvars un nav līdzsvara process.

Protams, siltuma apmaiņa, ja nav temperatūras starpības, notiek bezgalīgi lēni. Tāpēc atgriezeniskais Karno cikls turpinās bezgalīgi un siltumdzinēja jauda pie maksimālās iespējamās efektivitātes, kas noteikta pēc formulas (4), tiecas uz nulli. Procesi jebkurā reālā mašīnā obligāti satur neatgriezeniskas saites, un tāpēc tās efektivitāte vienmēr ir mazāka par teorētisko robežu (4).

Nosacījumi maksimāla darba iegūšanai. Iekšējās enerģijas pārveidošanu mehāniskajā enerģijā, kā izriet no otrā termodinamikas likuma, nevar veikt pilnībā. Lai maksimāli iespējamo iekšējās enerģijas daļu pārvērstu mehāniskajā enerģijā, ir jāizmanto tikai atgriezeniski procesi. Lai ilustrētu, apsveriet šādu piemēru. Lai ir kāds ķermenis, kas nav termiskā līdzsvara stāvoklī ar vidi, piemēram, ideāla gāze cilindrā ar virzuli, kuras temperatūra ir augstāka par apkārtējās vides temperatūru T (60. att.). Kā var iegūt vislielāko darba apjomu, ja gala stāvoklī gāzei vajadzētu aizņemt tādu pašu tilpumu kā sākotnējā stāvoklī?

Rīsi. 60. Ceļā uz maksimālo veiktspēju

Ja gāzes temperatūra būtu vienāda ar apkārtējās vides temperatūru, t.i., gāze būtu iekšā termiskais līdzsvars ar vidi vispār nebūtu iespējams dabūt darbu. Iekšējās enerģijas pārvēršana mehāniskajā enerģijā var notikt tikai tad, ja visas sistēmas sākotnējais stāvoklis nav līdzsvarots.

Bet nelīdzsvara sākotnējā stāvoklī sistēmas pāreja uz līdzsvara stāvokli ne vienmēr ir saistīta ar iekšējās enerģijas pārvēršanu mehāniskajā enerģijā. Ja jūs vienkārši ievedat gāzi

termiskais kontakts ar vidi, neļaujot tai izplesties, gāze atdziest un netiks veikts darbs. Tāpēc, lai varētu veikt darbu, ir jānodrošina gāzei iespēja izplesties, paturot prātā, ka tad tā būs jāsaspiež, jo atbilstoši stāvoklim gala stāvoklī gāzei ir jāaizņem tāds pats apjoms kā sākotnējā stāvoklī.

Lai iegūtu maksimālu darbu, pāreja no sākotnējā stāvokļa uz gala stāvokli jāveic atgriezeniski. Un to var izdarīt tikai, izmantojot adiabātiskos un izotermiskos procesus. Tātad gāze adiabātiski jāpaplašina, līdz tās temperatūra ir vienāda ar apkārtējās vides temperatūru T, un pēc tam šajā temperatūrā izotermiski jāsaspiež līdz sākotnējam tilpumam (61. att.). Gāzes darbs adiabātiskās izplešanās laikā 1-2, kā redzams attēlā, ir lielāks nekā darbs, kas būtu jāveic ar gāzi izotermiskās saspiešanas laikā 2-3. Maksimālais darbs, ko var iegūt gāzes pārejas laikā no stāvokļa 1 uz stāvokli 3, ir vienāds ar laukumu, kas iekrāsots attēlā. 61 izliekts trīsstūris 1-2-3.

Izpētītie reversīvā siltumdzinēja darbības modeļi ļauj apsvērt saldēšanas iekārtas darbības principus un siltumsūknis. Saldēšanas iekārtā visi procesi notiek pretējā virzienā (salīdzinājumā ar siltumdzinēju) (62. att.). Mehāniskā darba A izpildes dēļ no rezervuāra ar zemāku temperatūru tiek noņemts noteikts siltuma daudzums Tajā pašā laikā tiek pārnests uz rezervuāru ar augstāku temperatūru, kura loma parasti tiek spēlēta. vides dēļ vienāds ar summuŅemot vērā aplūkojamās mašīnas atgriezeniskumu, saistība tai ir spēkā

ko saskaņā ar (4) var uzskatīt par attiecīgā siltumdzinēja efektivitāti.

Saldēšanas iekārtai vislielākā interese ir siltuma daudzums, kas tiek izņemts no atdzesētās rezervuāra. No (5), jo mums ir

Atkarības no apkārtējās vides temperatūras grafiks (atgriezeniskam procesam) ir parādīts attēlā. 63. Redzams, ka siltumu noņemot, Bet pie nelielas temperatūras starpības attiecība var paņemt lielas vērtības. Citiem vārdiem sakot, saldēšanas iekārtas efektivitāte tuvu

vērtības var būt ļoti lielas, jo no atdzesētajiem korpusiem izņemtais siltuma daudzums var ievērojami pārsniegt darbu A, ko reālās saldēšanas iekārtās veic kompresors, ko darbina elektromotors.

Tehniskajā termodinamikā saldēšanas iekārtas raksturošanai izmanto tā saukto saldēšanas koeficientu, kas definēts kā siltuma daudzuma, kas ņemts no atdzesētajiem ķermeņiem, attiecība pret ārējo spēku darbu.

Atšķirībā no siltumdzinēja (4), veiktspējas koeficients var būt lielāks par vienotību.

Rīsi. 61. Maksimālā darba iegūšanas process uz -diagrammas

Rīsi. 62. Saldēšanas iekārtas shematiskā shēma

Reālās rūpnieciskās un sadzīves iekārtās un daudz ko citu. Kā redzams no (7), jo mazāk atšķiras vides un atdzesētā ķermeņa temperatūra, jo lielāks ir saldēšanas koeficients.

Tagad aplūkosim siltumsūkņa darbību, t.i., saldēšanas iekārtu, kas darbojas, lai sildītu karstu rezervuāru (apsildāmu telpu), pateicoties siltumam, kas tiek noņemts no aukstuma rezervuāra (vides). Siltumsūkņa shēma ir identiska saldēšanas iekārtas shēmai (skat. 62. att.). Atšķirībā no siltumsūkņa saldēšanas iekārtas, praktiskā interese nav siltuma daudzums, ko saņem apsildāmais ķermenis: Analogam (6) mums ir

Tehniskajā termodinamikā siltumsūkņu efektivitātes raksturošanai tiek ieviests tā sauktais apkures koeficienta eotops, kas vienāds ar

Dotās formulas (7) un (9) ir derīgas reversīvām mašīnām. Reālām mašīnām, kurās procesi ir pilnībā vai daļēji neatgriezeniski, šīs formulas sniedz dzesēšanas un sildīšanas koeficientu aplēses.

Tātad, izmantojot siltumsūkni, apsildāmā telpa saņem vairāk siltuma nekā ar tiešo apkuri. V. Tomsons pievērsa uzmanību šim apstāklim, kad viņš ierosināja tā sauktās dinamiskās apkures ideju, kas sastāv no sekojošā. Siltums, kas iegūts, sadedzinot degvielu, netiek izmantots tiešai telpas apsildīšanai, bet tiek nosūtīts uz siltumdzinēju, lai ražotu mehānisku darbu. Ar šo darbu tiek aktivizēts siltumsūknis, kas silda telpu. Ja temperatūras starpība starp vidi un apsildāmo telpu ir maza, tā saņem ievērojami vairāk siltuma, nekā izdalās, sadedzinot degvielu. Tas var šķist paradoksāli.

Reāli siltumsūknī un dinamiskajā apkurē nav paradoksu, kas kļūst pilnīgi skaidrs, ja lietojam iekšējās enerģijas kvalitātes jēdzienu. Iekšējās enerģijas kvalitāte attiecas uz tās spēju pārveidoties citos veidos. Šajā ziņā augstākā kvalitāte ko raksturo enerģija mehāniskā vai elektromagnētiskā formā, jo to var pilnībā pārvērst iekšējā enerģijā jebkurā temperatūrā. Attiecībā uz iekšējo enerģiju tās kvalitāte ir augstāka, jo augstāka ir ķermeņa temperatūra, kurā tā tiek uzglabāta. Jebkurš dabiski notiekošs neatgriezenisks process, piemēram, siltuma nodošana ķermenim ar zemāku temperatūru, noved pie iekšējās enerģijas devalvācijas un kvalitātes pazemināšanās. Atgriezeniskajos procesos enerģijas kvalitātes pazemināšanās nenotiek, jo visas enerģijas pārvērtības var notikt pretējā virzienā.

Ar parasto sildīšanas metodi viss siltums izdalās, sadedzinot degvielu, sildot spirāli elektriskās strāvas trieciens vai saņemts no karstas rezervuāra utt., nonāk telpā tāda paša siltuma daudzuma veidā, bet zemākā temperatūrā, kas atspoguļo iekšējās enerģijas kvalitatīvu nolietojumu. Siltumsūknis vai dinamiskā apkures sistēma novērš tiešu neatgriezenisku siltuma apmaiņu starp korpusiem dažādās temperatūrās.

Kad darbojas siltumsūknis vai dinamiskā apkures sistēma, paaugstinās iekšējās enerģijas kvalitāte, kas no apkārtējās vides tiek nodota apsildāmajai telpai. Pie nelielas temperatūras starpības, kad šīs enerģijas kvalitāte būtiski nepaaugstinās, tās daudzums kļūst lielāks, kas izskaidro siltumsūkņa augsto efektivitāti un dinamisko apkuri kopumā.

Sniedziet piemērus parādībām, kas atbilst enerģijas nezūdamības likumam, bet tomēr dabā netiek novērotas.

Kāda ir atšķirība starp dažādiem enerģijas veidiem? Ilustrējiet šo atšķirību ar piemēriem.

Kas ir atgriezenisks termiskais process? Sniedziet atgriezenisku un neatgriezenisku procesu piemērus.

Kādām prasībām ir jāatbilst fiziskai sistēmai, lai mehāniskie procesi tajā notiktu atgriezeniski? Paskaidrojiet, kāpēc berze un mehāniskās enerģijas izkliede padara visus procesus neatgriezeniskus.

Dodiet dažādus termodinamikas otrā likuma formulējumus. Pierādiet Klausiusa un Tomsona formulējumu līdzvērtību.

Ko attiecībā pret ko nozīmē Karateodora princips ideāla gāze? Izskaidrojiet savu atbildi, izmantojot -diagrammu, lai attēlotu tās stāvokli.

Parādiet, ka otrā termodinamikas likuma fiziskā jēga ir izveidot nesaraujamu saikni starp reālu procesu neatgriezeniskumu dabā un siltuma pārnesi.

Formulējiet nosacījumus, kādos siltuma dzinēja efektivitāte, kas darbojas atgriezeniskā ciklā, būtu tuvu vienībai.

Parādiet, ka Karno cikls ir vienīgais atgriezeniskais cikliskais process dzinējam, kas izmanto divus siltuma rezervuārus fiksētā temperatūrā.

Apspriežot nosacījumus maksimālā darba iegūšanai, tas netika ņemts vērā atmosfēras spiediens, kas iedarbojas uz virzuli no ārpuses. Kā šī spiediena ņemšana vērā ietekmēs iepriekš minēto argumentāciju un rezultātu?

Gāzei cilindrā, ko aizvērts ar virzuli, ir tāda pati temperatūra kā apkārtējam gaisam, bet augstāks (vai zemāks) spiediens nekā spiediens atmosfērā. Kādi procesi jāveic ar gāzi, lai sistēmas nelīdzsvarotības dēļ iegūtu maksimāli lietderīgu darbu? Uzzīmējiet šos procesus diagrammā, pieņemot, ka gāze balonā ir ideāla.

Gāzei cilindrā, kas noslēgts ar virzuli, ir tāds pats spiediens kā apkārtējam gaisam, bet augstāka (vai zemāka) temperatūra. Kādi procesi jāveic ar gāzi, lai sistēmas nelīdzsvarotības dēļ iegūtu maksimāli lietderīgu darbu? Uzzīmējiet tos diagrammā.

Apsveriet divas dažādas dinamiskas sildīšanas shēmas, kurās siltuma dzinējs vai nu izdala siltumu vidi, vai apsildāma telpa. Parādiet, ka gadījumā, ja visi procesi ir atgriezeniski, abām shēmām ir vienāda efektivitāte. Kura shēma būs efektīvāka reālā sistēmā, kad procesus nevar uzskatīt par pilnībā atgriezeniskiem?