Den første loven for termodynamikk er loven om bevaring av energi slik den brukes på termodynamiske prosesser: energi forsvinner ikke i ingensteds og oppstår ikke fra ingenting, men går bare fra en type til en annen i ekvivalente mengder. Et eksempel kan være overføring av varme (termisk energi) til mekanisk energi, og omvendt.

Hvis en viss mengde varme dQ legges til M kg gass som opptar et volum V (m 3) ved en temperatur T ved konstant trykk, vil gasstemperaturen som et resultat øke med dT og volumet med dV. En økning i temperatur er assosiert med en økning i den kinetiske energien til molekylær bevegelse dK.
En økning i volum er ledsaget av en økning i avstanden mellom molekyler og, som en konsekvens, en reduksjon potensiell energi dH interaksjoner mellom dem. I tillegg, ved å øke volumet, virker gassen dA for å overvinne ytre krefter.
Hvis, foruten de som er angitt, ingen andre prosesser forekommer i arbeidsvæsken, kan vi, basert på loven om bevaring av energi, skrive:

dQ = dK + dH + dA.

Summen dK + dH representerer endringen indre energi dU av molekylene i systemet som et resultat av tilførsel av varme.
Deretter kan energisparingsformelen for en termodynamisk prosess skrives som:

dQ = dU + dA eller dQ = dU + pdV.

Denne ligningen er et matematisk uttrykk termodynamikkens første lov: mengden varme dQ som tilføres gasssystemet brukes på å endre dets interne energi dU og utføre eksternt arbeid dA.

Konvensjonelt antas det at når dQ > 0 overføres varme til arbeidsfluidet, og når dQ< 0 теплота отнимается от тела. При dA >0 systemet fungerer (gass utvider seg), og ved dA< 0 работа совершается над системой (газ сжимается) .

For en ideell gass, mellom molekylene som det ikke er noen interaksjon mellom, er endringen i indre energi dU fullstendig bestemt av endringen i den kinetiske energien til bevegelse (dvs. øke hastigheten til molekyler), og volumendringen karakteriserer gassens arbeid for å overvinne ytre krefter.

Termodynamikkens første lov har en annen formulering: energien til et isolert termodynamisk system forblir uendret uavhengig av hvilke prosesser som skjer i det.
Det er umulig å bygge en evighetsmaskin av det første slaget, det vil si en periodisk fungerende maskin som ville gjøre arbeid uten å bruke energi.



Termodynamikkens andre lov

Termodynamikkens første lov beskriver de kvantitative sammenhengene mellom parametrene til et termodynamisk system som finner sted i prosessene med å konvertere termisk energi til mekanisk energi og omvendt, men etablerer ikke forholdene under hvilke disse prosessene er mulige. Disse betingelsene som er nødvendige for transformasjonen av en type energi til en annen, avsløres av termodynamikkens andre lov.

Det er flere formuleringer av denne loven, og hver av dem har det samme semantiske innholdet. Her er de hyppigst siterte formuleringene av termodynamikkens andre lov.

1. Å omdanne varme til mekanisk arbeid det er nødvendig å ha en varmekilde og et kjøleskap, hvis temperatur er lavere enn temperaturen på kilden, dvs. en temperaturforskjell er nødvendig.

2. Det er umulig å implementere en varmemotor, hvis eneste resultat ville være transformasjonen av varmen fra ethvert legeme til arbeid uten at noe av varmen blir overført til andre kropper.
Fra denne formuleringen kan vi konkludere med at det er umulig å bygge en evighetsmaskin som fungerer takket være bare én varmekilde, siden enhver, selv den mest kolossale varmekilden i formen materiell kropp er ikke i stand til å avgi mer termisk energi enn entalpi tillater det (en del av den totale energien til en kropp som kan omdannes til varme ved å avkjøle kroppen til absolutt null temperatur).

3. Varme kan ikke av seg selv flytte fra en mindre oppvarmet kropp til en mer oppvarmet uten utgifter til eksternt arbeid.

Som du kan se, er termodynamikkens andre lov ikke basert på formelinnhold, men beskriver bare forholdene under hvilke visse termodynamiske fenomener og prosesser er mulige, og bekrefter i hovedsak, felles lov energisparing.

Spontane (spontane) prosesser beskrives av følgende egenskaper:

1. Alle naturlige spontane prosesser går i én retning, det vil si at de har en enveis retning. For eksempel overføres varme fra en varm kropp til en kald; gasser har en tendens til å oppta det største volumet.

2. En del av energien blir til varme, det vil si at systemet går fra en ordnet tilstand til en tilstand med tilfeldig termisk bevegelse av partikler.

3. Spontane prosesser kan brukes til å produsere nyttig arbeid. Når det transformeres, mister systemet sin evne til å produsere arbeid. I den endelige likevektstilstanden har den minst energi.

4. Systemet kan ikke returneres til sin opprinnelige tilstand uten å gjøre noen endringer i seg selv eller i miljøet. Alle spontane prosesser er termodynamisk irreversible.

5. I en spontan prosess er starttilstanden mindre sannsynlig sammenlignet med hver påfølgende og minst sannsynlig sammenlignet med den siste.

Ikke-spontane prosesser oppstå med utgifter til arbeid; i dette tilfellet beveger systemet seg bort fra likevektstilstanden (for eksempel gasskompresjon, elektrolyse).

Termodynamikkens andre lov– Dette er et postulat. Den er av statistisk natur og kan brukes på systemer fra stort antall partikler.

Termodynamikkens andre lov har følgende formuleringer:

1. Varme kan ikke overføres spontant fra en mindre oppvarmet kropp til en mer oppvarmet.

2. En prosess er umulig, det eneste resultatet er omdannelsen av varme til arbeid.

3. En evighetsmaskin av den andre typen er umulig. Varmen fra de kaldeste av kroppene som er involvert i prosessen kan ikke tjene som en kilde til arbeid.

Analytisk uttrykk for termodynamikkens andre lov og dens begrunnelse ved bruk av Carnot-syklusen. Essensen av uttrykket av termodynamikkens andre lov er forbindelsen mellom prosessens spontanitet og veksten av entropi. Dette uttrykket følger av en vurdering av spørsmålet om den teoretiske fullstendigheten av omdannelsen av varme til arbeid i den reversible Carnot-syklusen. .

Syklusen består av fire prosesser:

AB- isotermisk ekspansjon på grunn av varme Q 1, tilføres gassen ved en temperatur T 1;

Sol- adiabatisk ekspansjon;

SD- isotermisk kompresjon ved temperatur T 2, i denne prosessen mister gassen varme Q 2;

JA- adiabatisk kompresjon til utgangstilstand.

Varmen som absorberes (eller frigjøres) under den isotermiske ekspansjonen (eller kompresjonen) av en mol av en ideell gass er lik arbeidet

Under adiabatisk ekspansjon (eller kompresjon)

Anvendelse av disse ligningene på de tilsvarende syklusprosessene fører til uttrykket for den termodynamiske koeffisienten nyttig handling(effektivitet): . (4.3)

Ligning (4.3) er det matematiske uttrykket for termodynamikkens andre lov.

Fordi T 1‹ T 2, Det η ‹ 1.

I følge Carnots teori vil det å erstatte en ideell gass med et hvilket som helst annet stoff ikke føre til en endring i effektivitet. Carnot syklus. Å bytte ut Carnot-syklusen med en hvilken som helst annen syklus vil resultere i lavere effektivitet. (Clasius-Carnot teorem). Således, selv i tilfelle av en ideell varmemotor konvertering av varme til arbeid kan ikke være komplett.

Uttrykket av termodynamikkens andre lov lar oss introdusere begrepet entropi, ved hjelp av hvilken essensen av loven avsløres i en praktisk og generell form.

La oss endre uttrykk (4.3):

på . (4.4)

Forholdet kalles redusert varme. Ligning (4.4) viser det algebraisk sum redusert varme i henhold til den reversible Carnot-syklusen er lik null.

For en uendelig reversibel Carnot-syklus

hvor er den elementære reduserte varmen.

Enhver syklus kan erstattes av et sett med uendelig små Carnot-sykluser: .

I grensen vil dette beløpet bli til .

I teorien om integraler er det bevist at hvis integralet over en lukket sløyfe er lik null, så er integrand-uttrykket den komplette differensialen til en funksjon av parameterne som bestemmer systemets tilstand.

Hvor S- Dette entropi, en slik funksjon av tilstanden til systemet, hvis totale differensial i en reversibel prosess er lik forholdet mellom en uendelig liten mengde varme til temperatur.

Konseptet "entropi" ble introdusert av Clausius (1850) . Dette uttrykket er det matematiske uttrykket for termodynamikkens andre lov for reversible prosesser.

Entropien i en reversibel prosess er lik endringen i entropien i en irreversibel prosess, dvs. . La oss sammenligne varmen til reversible og irreversible prosesser. I henhold til termodynamikkens første lov . Intern energi U er en funksjon av systemets tilstand, altså . Maksimalt arbeid utføres derfor under en reversibel prosess

I det generelle tilfellet for reversible og irreversible prosesser Termodynamikkens andre lov har følgende matematiske uttrykk:

Her dS = konst, og bare høyre side av ligningen endres, dvs. varmeverdi. Entropienheter: [ S] = J/mol K.

Den kombinerte ligningen for termodynamikkens første og andre lov er:

Beregning av endringen i entropien til en ideell gass.

La oss uttrykke endringen i indre energi

Dele ligning (4.6) med T, bestemmer vi endringen i entropi:

(4.7)

Fra den ideelle gassligningen: følger det at . Så, etter å ha erstattet denne relasjonen i (4.7):

(4.8)

La oss integrere uttrykk (4.8) for og oppnå Ligningen for å beregne endringen i entropien til en ideell gass er:

(4.9)

Isoterm prosess: , (4.10)

siden da . (4.11)

Isokorisk prosess: . (4.12)

Isobarisk prosess: . (4.13)

Adiabatisk prosess:. (4.14)

Plancks postulat har følgende formulering: ved absolutt null er entropien til riktig dannede krystaller av rene stoffer null. Postulatet lar en beregne den absolutte verdien av entropi hvis varmen til faseoverganger er kjent og hvis varmekapasiteten til stoffet i ulike aggregeringstilstander er kjent.

Termodynamikkens andre lov

Historisk sett oppsto termodynamikkens andre lov fra analysen av driften av varmemotorer (S. Carnot, 1824). Det finnes flere tilsvarende formuleringer. Selve navnet "termodynamikkens andre lov" og historisk dens første formulering (1850) tilhører R. Clausius.

Den første loven om termodynamikk, som uttrykker loven om bevaring og transformasjon av energi, tillater oss ikke å etablere retningen for termodynamiske prosesser. I tillegg kan man se for seg mange prosesser som ikke motsier det første prinsippet, der energi er bevart, men i naturen forekommer de ikke.

Erfaring viser det ulike typer energier er ulik i deres evne til å omdannes til andre typer energi. Mekanisk energi kan fullstendig omdannes til indre energi i enhver kropp. Det er visse begrensninger for omvendt transformasjon av intern energi til andre typer: tilførsel av intern energi kan under ingen omstendigheter konverteres fullstendig til andre typer energi. De bemerkede egenskapene til energitransformasjoner er assosiert med retningen til prosesser i naturen.

Termodynamikkens andre lov er et prinsipp som fastslår irreversibiliteten til makroskopiske prosesser som skjer med en begrenset hastighet.

I motsetning til rent mekaniske (uten friksjon) eller elektrodynamiske (uten frigjøring av Joule-varme) reversible prosesser, prosesser forbundet med varmeoverføring ved en begrenset temperaturforskjell (dvs. strømmer med en begrenset hastighet), med friksjon, diffusjon av gasser, ekspansjon av gasser i tomrom, frigjøring av Joule-varme, etc., er irreversible, dvs. de kan spontant flyte bare i én retning.

Termodynamikkens andre lov reflekterer retningen til naturlige prosesser og pålegger begrensninger på mulige retninger for energitransformasjoner i makroskopiske systemer, noe som indikerer hvilke prosesser i naturen som er mulige og hvilke som ikke er det.

Termodynamikkens andre lov er et postulat som ikke kan bevises innenfor termodynamikkens rammer. Den ble opprettet på grunnlag av en generalisering av eksperimentelle fakta og mottok en rekke eksperimentelle bekreftelser.

Utsagn om termodynamikkens andre lov

1). Carnot-formulering: den høyeste effektiviteten til en varmemotor avhenger ikke av typen arbeidsvæske og er fullstendig bestemt av de begrensende temperaturene, som maskinen opererer mellom.

2). Clausius formulering: en prosess er umulig hvis eneste resultat er overføring av energi i form av varme fra en mindre oppvarmet kropp, til en varmere kropp.

Termodynamikkens andre lov forbyr ikke overføring av varme fra en mindre oppvarmet kropp til en mer oppvarmet. En slik overgang skjer i en kjølemaskin, men samtidig utfører ytre krefter arbeid på anlegget, d.v.s. denne overgangen er ikke det eneste resultatet av prosessen.

3). Kelvin-formulering: sirkulær prosess er ikke mulig, det eneste resultatet er konvertering av varme, mottatt fra varmeren, til tilsvarende arbeid.

Ved første øyekast kan det virke som om denne formuleringen motsier den isotermiske utvidelsen av en ideell gass. Faktisk blir all varmen som mottas av en ideell gass fra en eller annen kropp fullstendig omdannet til arbeid. Men å skaffe varme og omdanne den til arbeid er ikke det eneste sluttresultatet av prosessen; I tillegg, som et resultat av prosessen, oppstår en endring i volumet av gass.

P.S.: du må ta hensyn til ordene "eneste resultat"; forbudene i det andre prinsippet oppheves dersom de aktuelle prosessene ikke er de eneste.

4). Ostwalds formulering: implementering evighetsmaskin den andre typen er umulig.

En evighetsmaskin av den andre typen er en periodisk fungerende enhet, som fungerer ved å kjøle én varmekilde.

Et eksempel på en slik motor vil være en skipsmotor, som henter varme fra havet og bruker den til å drive skipet. En slik motor ville være praktisk talt evig, fordi... Tilførselen av energi i miljøet er praktisk talt ubegrenset.

Fra statistisk fysikks synspunkt er termodynamikkens andre lov av statistisk natur: den er gyldig for den mest sannsynlige oppførselen til systemet. Eksistensen av svingninger forhindrer den nøyaktige implementeringen, men sannsynligheten for et betydelig brudd er ekstremt liten.

Entropi

Begrepet "entropi" ble introdusert i vitenskapen av R. Clausius i 1862 og er dannet av to ord: " no"- energi," trope- Jeg snur den.

I følge termodynamikkens nulllov går et isolert termodynamisk system spontant over i en tilstand av termodynamisk likevekt over tid og forblir i den i uendelig lang tid, hvis ytre forhold holdes uendret.

I en likevektstilstand omdannes alle typer energi i systemet til termisk energi av den kaotiske bevegelsen av atomer og molekyler som utgjør systemet. Ingen makroskopiske prosesser er mulig i et slikt system.

Entropi tjener som et kvantitativt mål på overgangen til et isolert system til en likevektstilstand. Når systemet går over til en likevektstilstand, øker dets entropi og når et maksimum når likevektstilstanden er nådd.

Entropi er en funksjon av tilstanden til et termodynamisk system, betegnet med: .

Teoretisk bakgrunn: redusert varme,entropi

Fra uttrykket for effektiviteten til Carnot-syklusen: det følger at eller , hvor er mengden varme som avgis av arbeidsvæsken til kjøleskapet, aksepterer vi: .

Da kan den siste relasjonen skrives som:

Forholdet mellom varmen som mottas av et legeme i en isotermisk prosess og temperaturen til det varmeavgivende legemet kalles redusert varmemengde:

Med tanke på formel (2), kan formel (1) representeres som:

de. for Carnot-syklusen er den algebraiske summen av de reduserte varmemengdene lik null.

Den reduserte mengden varme som tilføres kroppen i en uendelig liten del av prosessen: .

Den gitte mengden varme for et vilkårlig område:

Streng teoretisk analyse viser at for enhver reversibel sirkulær prosess er summen av de reduserte varmemengdene lik null:

Fra det faktum at integral (4) er lik null, følger det at integranden er den fullstendige differensialen til en eller annen funksjon, som bare bestemmes av systemets tilstand og ikke avhenger av banen som systemet kom til dette. tilstand:

Enkeltverdig tilstandsfunksjon, hvis totale differensial er ,kalt entropi .

Formel (5) er kun gyldig for reversible prosesser i tilfelle av irreversible prosesser som ikke er likevekt, er en slik representasjon feil.

Entropiens egenskaper

1). Entropi bestemmes opp til en vilkårlig konstant. Den fysiske betydningen er ikke entropien i seg selv, men forskjellen mellom entropiene til to tilstander:

. (6)

Eksempel: hvis systemet ( ideell gass) gjør en likevektsovergang fra tilstand 1 til tilstand 2, så er endringen i entropi lik:

,

Hvor ; .

de. endringen i entropien til en ideell gass under overgangen fra tilstand 1 til tilstand 2 avhenger ikke av typen overgangsprosess.

Generelt, i formel (6), avhenger ikke entropiøkningen av integrasjonsveien.

2). Den absolutte verdien av entropi kan fastsettes ved hjelp av termodynamikkens tredje lov (Nernsts teorem):

Entropien til ethvert legeme har en tendens til null, da temperaturen har en tendens til absolutt null: .

Dermed blir det innledende referansepunktet for entropi tatt ved .

3). Entropi er en additiv mengde, dvs. Entropien til et system med flere kropper er summen av entropiene til hver kropp: .

4). Som intern energi er entropi en funksjon av parametrene til det termodynamiske systemet .

5), kalles en prosess som skjer ved konstant entropi isentropisk.

I likevektsprosesser uten varmeoverføring endres ikke entropien.

Spesielt er en reversibel adiabatisk prosess isentropisk: for den ; , dvs. .

6). Ved konstant volum er entropi en monotont økende funksjon av den indre energien i kroppen.

Faktisk, fra termodynamikkens første lov følger det at når vi har: , Så . Men temperaturen er der alltid. Derfor har inkrementene samme fortegn, som det var påkrevd å bevise.

Eksempler på entropiendringer i ulike prosesser

1). Under isobarisk ekspansjon av en ideell gass

2). Under isokorisk ekspansjon av en ideell gass

3). Under isotermisk ekspansjon av en ideell gass

.

4). Under faseoverganger

Eksempel: finn endringen i entropi når en ismasse ved temperatur omdannes til damp.

Løsning

Termodynamikkens første lov: .

Fra Mendeleev–Clapeyron-ligningen følger det: .

Da vil uttrykkene for termodynamikkens første lov ha formen:

.

Når du flytter fra en aggregeringstilstand i en annen består den totale endringen i entropi av endringer i individuelle prosesser:

EN). Oppvarming av is fra temperatur til smeltepunkt:

,Hvor - spesifikk varme is.

B). Smeltende is: ,Hvor - spesifikk varme smeltende is.

I). Oppvarming av vann fra temperatur til kokepunkt:

, hvor er den spesifikke varmekapasiteten til vann.

G). Vannfordampning: , hvor er den spesifikke fordampningsvarmen til vann.

Da er den totale entropiendringen:

Prinsippet om økende entropi

Entropi av et lukket system for evt prosessene som skjer i den reduseres ikke:

eller for den endelige prosessen: , derfor: .

Likhetstegnet refererer til en reversibel prosess, ulikhetstegnet refererer til en irreversibel prosess. De to siste formlene er det matematiske uttrykket for termodynamikkens andre lov. Dermed gjorde introduksjonen av begrepet "entropi" det mulig å strengt matematisk formulere termodynamikkens andre lov.

Irreversible prosesser fører til etablering av en likevektstilstand. I denne tilstanden når entropien til det isolerte systemet sitt maksimum. Ingen makroskopiske prosesser er mulige i et slikt system.

Størrelsen på entropiendringen er en kvalitativ karakteristikk av graden av irreversibilitet av prosessen.

Prinsippet om økende entropi gjelder for isolerte systemer. Hvis systemet ikke er isolert, kan entropien reduseres.

Konklusjon: fordi Siden alle reelle prosesser er irreversible, fører alle prosesser i et lukket system til en økning i dets entropi.

Teoretisk begrunnelse av prinsippet

La oss vurdere et lukket system som består av en varmeovn, et kjøleskap, en arbeidsvæske og en "forbruker" av arbeidet som utføres (en kropp som bare utveksler energi med arbeidsvæsken i form av arbeid), utfører en Carnot-syklus. Dette er en reversibel prosess, hvis endring i entropi er lik:

,

hvor er endringen i entropien til arbeidsfluidet; - endring i varmeelemententropi; - endring i entropien til kjøleskapet; – endring i entropien til "forbrukeren" av verket.

Som kjent gjenspeiler termodynamikkens første lov loven om bevaring av energi i termodynamiske prosesser, men den gir ikke en idé om prosessenes retning. I tillegg kan du komme opp med mange termodynamiske prosesser som ikke vil motsi den første loven, men i virkeligheten eksisterer ikke slike prosesser. Eksistensen av termodynamikkens andre lov (loven) er forårsaket av behovet for å etablere muligheten for en bestemt prosess. Denne loven bestemmer strømningsretningen til termodynamiske prosesser. Når de formulerer termodynamikkens andre lov, bruker de begrepene entropi og Clausius-ulikheten. I dette tilfellet er termodynamikkens andre lov formulert som loven om vekst av entropi til et lukket system hvis prosessen er irreversibel.

Utsagn om termodynamikkens andre lov

Hvis en prosess skjer i et lukket system, reduseres ikke entropien til dette systemet. I form av en formel er termodynamikkens andre lov skrevet som:

hvor S er entropi; L er banen som systemet beveger seg fra en tilstand til en annen.

I denne formuleringen av termodynamikkens andre lov, bør oppmerksomheten rettes mot det faktum at systemet som vurderes må lukkes. I et åpent system kan entropi oppføre seg på alle måter (den kan avta, øke eller forbli konstant). Merk at entropi ikke endres i et lukket system under reversible prosesser.

En økning i entropi i et lukket system under irreversible prosesser er overgangen til et termodynamisk system fra tilstander med lavere sannsynlighet til tilstander med høyere sannsynlighet. Den berømte Boltzmann-formelen gir en statistisk tolkning av termodynamikkens andre lov:

hvor k er Boltzmanns konstant; w - termodynamisk sannsynlighet (antall måter som makrotilstanden til systemet under vurdering kan realiseres på). Dermed er termodynamikkens andre lov en statistisk lov som er assosiert med beskrivelsen av mønstrene for termisk (kaotisk) bevegelse av molekyler som utgjør et termodynamisk system.

Andre formuleringer av termodynamikkens andre lov

Det er en rekke andre formuleringer av termodynamikkens andre lov:

1) Kelvins formulering: Det er umulig å lage en sirkulær prosess, hvis resultat utelukkende vil være konvertering av varmen mottatt fra varmeren til arbeid. Fra denne formuleringen av termodynamikkens andre lov konkluderer de med at det er umulig å lage en evighetsmaskin av den andre typen. Dette betyr at periodisk opptrer varmemotor må ha varmeapparat, arbeidsvæske og kjøleskap. I dette tilfellet kan ikke effektiviteten til en ideell varmemotor være større enn effektiviteten til Carnot-syklusen:

hvor er varmeapparatets temperatur; — kjøleskapstemperatur; ( title="Gengitt av QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) Clausius sin formulering: Det er umulig å lage en sirkulær prosess som et resultat av at det kun vil skje varmeoverføring fra et legeme med lavere temperatur til et legeme med høyere temperatur.

Termodynamikkens andre lov bemerker den vesentlige forskjellen mellom de to formene for energioverføring (arbeid og varme). Av denne loven følger det at overgangen av den ordnede bevegelsen til kroppen som helhet til den kaotiske bevegelsen av kroppens molekyler og ytre miljø- er en irreversibel prosess. I dette tilfellet kan ordnet bevegelse bli kaotisk uten ytterligere (kompenserende) prosesser. Mens overgangen fra uordnet bevegelse til ordnet bevegelse må ledsages av en kompenserende prosess.

Eksempler på problemløsning

EKSEMPEL 1

Øvelse

Hva er essensen av "Heat Death of the Universe"-problemet? Hvorfor er dette problemet uholdbart?

Løsning

Dette problemet ble formulert på 1800-tallet. Hvis vi betrakter universet som et lukket system og prøver å anvende termodynamikkens andre lov på det, vil universets entropi ifølge Clausius-hypotesen nå et visst maksimum. Det vil si at etter en tid vil alle former for bevegelse bli termisk bevegelse. All varmen fra kropper med mer høy temperatur vil gå videre til kropper som har mer lav temperatur, det vil si at temperaturene til alle legemer i universet vil bli like. Universet vil komme til en tilstand termisk likevekt, vil alle prosesser stoppe - dette kalles universets termiske død. Feil denne bestemmelsen om universets termiske død ligger i det faktum at termodynamikkens andre lov ikke gjelder åpne systemer, og universet bør ikke betraktes som lukket. Siden den er grenseløs og består av uendelig utvikling.

EKSEMPEL 2

Øvelse

Hva er effektiviteten til syklusen vist i fig. 1? Tenk på at en ideell gass er involvert i prosessen (antall frihetsgrader er i) og volumet endres n ganger.

Løsning

Effektiviteten til syklusen, som er presentert i fig. 1, er funnet som: hvor er mengden varme som arbeidsvæsken mottar fra varmeren i den presenterte syklusen. I adiabatiske prosesser er det ingen tilførsel eller fjerning av varme viser det seg at varme tilføres kun i prosess 1-2. - mengden varme som fjernes fra gassen i prosess 3-4. Ved å bruke termodynamikkens første lov finner vi mengden varme som mottas av gassen i prosess 1-2, som er isokorisk: siden det ikke er noen endring i volum i denne prosessen. La oss definere endringen i gassens indre energi som: I analogi, for en isokorisk prosess der varme fjernes, har vi: La oss erstatte det oppnådde resultatet (2.2 - 2.5) med uttrykk (2.1): Vi bruker den adiabatiske ligningen for å finne temperaturforskjeller, og vurderer Fig. 1. For prosess 2-3 skriver vi:

Hvordan genereres energi, hvordan omdannes den fra en form til en annen, og hva skjer med energi i et lukket system? Termodynamikkens lover vil bidra til å svare på alle disse spørsmålene. Termodynamikkens andre lov vil bli diskutert mer detaljert i dag.

Lover i hverdagen

Lover styrer hverdagen. Trafikkloven sier at du må stoppe ved stoppskilt. Offentlige ansatte er pålagt å gi en del av lønningene sine til staten og den føderale regjeringen. Selv vitenskapelige gjelder for hverdagen. For eksempel spår tyngdeloven et ganske dårlig utfall for de som prøver å fly. Et annet sett med vitenskapelige lover som påvirker hverdagen er termodynamikkens lover. Så det kan gis en rekke eksempler for å se hvordan de påvirker hverdagen.

Termodynamikkens første lov

Termodynamikkens første lov sier at energi ikke kan skapes eller ødelegges, men den kan omdannes fra en form til en annen. Dette kalles også noen ganger loven om bevaring av energi. Så hvordan forholder dette seg til hverdagen? Vel, ta for eksempel datamaskinen du bruker nå. Den lever av energi, men hvor kommer denne energien fra? Termodynamikkens første lov forteller oss at denne energien ikke kunne komme fra luften, så den kom fra et sted.

Du kan spore denne energien. Datamaskinen drives av elektrisitet, men hvor kommer denne strømmen fra? Det stemmer, fra et kraftverk eller vannkraftverk. Hvis vi vurderer det andre, vil det være forbundet med en demning som holder tilbake elven. En elv har en forbindelse med kinetisk energi, som betyr at elva renner. Demningen konverterer denne kinetiske energien til potensiell energi.

Hvordan fungerer et vannkraftverk? Vann brukes til å rotere turbinen. Når turbinen roterer, drives en generator, som vil skape elektrisitet. Denne elektrisiteten kan føres i sin helhet i ledninger fra kraftverket til hjemmet ditt, slik at når du kobler strømledningen til en stikkontakt, strømmer elektrisitet inn i datamaskinen din slik at den kan fungere.

Hva skjedde her? Det var allerede en viss mengde energi som var knyttet til vannet i elven kinetisk energi. Så ble det til potensiell energi. Demningen tok deretter den potensielle energien og gjorde den om til elektrisitet, som deretter kunne gå inn i hjemmet ditt og drive datamaskinen din.

Termodynamikkens andre lov

Ved å studere denne loven kan man forstå hvordan energi fungerer og hvorfor alt beveger seg mot mulig kaos og uorden. Termodynamikkens andre lov kalles også entropiloven. Har du noen gang lurt på hvordan universet ble til? I følge teorien Big Bang, før alt rundt ble født, samlet en enorm mengde energi seg. Etter Big Bang dukket universet opp. Alt dette er bra, men hva slags energi var det? I begynnelsen av tiden var all energien i universet inneholdt på ett relativt lite sted. Denne intense konsentrasjonen representerte en enorm mengde av det som kalles potensiell energi. Over tid spredte det seg over det enorme vidstrakten av universet vårt.

I en mye mindre skala inneholder vannreservoaret som holdes av en demning potensiell energi fordi plasseringen tillater det å strømme gjennom demningen. I hvert tilfelle spres den lagrede energien, når den er frigjort, ut og gjør det uten noen anstrengelse. Frigjøring av potensiell energi er med andre ord en spontan prosess som skjer uten behov for ekstra ressurser. Når energien sprer seg, blir noe av den omdannet til nyttig energi og gjør noe. Resten blir omdannet til ubrukelig energi, ganske enkelt kalt varme.

Ettersom universet fortsetter å utvide seg, inneholder det mindre og mindre nyttig energi. Hvis en mindre nyttig er tilgjengelig, kan mindre arbeid gjøres. Når vannet renner gjennom demningen, inneholder det også mindre nyttig energi. Denne nedgangen i nyttig energi over tid kalles entropi, der entropi er mengden ubrukt energi i et system, og et system er ganske enkelt samlingen av objekter som utgjør helheten.

Entropi kan også refereres til som mengden tilfeldighet eller kaos i en organisasjon uten organisasjon. Ettersom nyttig energi avtar over tid, øker uorganisering og kaos. Når den akkumulerte potensielle energien frigjøres, blir ikke alt av det omdannet til nyttig energi. Alle systemer opplever denne økningen i entropi over tid. Dette er veldig viktig å forstå, og dette fenomenet kalles termodynamikkens andre lov.

Entropi: tilfeldighet eller defekt

Som du kanskje har gjettet, følger den andre loven den første, som vanligvis kalles loven om bevaring av energi, og den sier at energi ikke kan skapes og ikke kan ødelegges. Med andre ord, mengden energi i universet eller et hvilket som helst system er konstant. Termodynamikkens andre lov kalles vanligvis loven om entropi, og den sier at når tiden går, blir energi mindre nyttig og kvaliteten avtar over tid. Entropi er graden av tilfeldighet eller defekter et system har. Hvis et system er veldig uordnet, har det høy entropi. Hvis det er mange feil i systemet, er entropien lav.

Snakker med enkle ord, sier termodynamikkens andre lov at entropien til et system ikke kan avta over tid. Dette betyr at i naturen går ting fra en ordenstilstand til en tilstand av uorden. Og dette er irreversibelt. Systemet vil aldri bli mer ryddig av seg selv. Med andre ord, i naturen øker alltid entropien til et system. En måte å tenke på dette på er hjemmet ditt. Hvis du aldri rengjør og støvsuger det, vil du ganske snart få et forferdelig rot. Entropien har økt! For å redusere det, må det brukes energi for å bruke en støvsuger og mopp for å fjerne støvet fra overflaten. Huset vil ikke rense seg selv.

Hva er termodynamikkens andre lov? Formuleringen i enkle ord sier at når energi endres fra en form til en annen form, beveger materie seg enten fritt eller entropi (uorden) i et lukket system øker. Forskjeller i temperatur, trykk og tetthet har en tendens til å jevne seg ut horisontalt etter en stund. På grunn av tyngdekraften utjevnes ikke tetthet og trykk vertikalt. Tettheten og trykket i bunnen vil være større enn på toppen. Entropi er et mål på spredningen av materie og energi uansett hvor den har tilgang. Den vanligste formuleringen av termodynamikkens andre lov er hovedsakelig assosiert med Rudolf Clausius, som sa:

Det er umulig å konstruere en enhet som ikke gir noen annen effekt enn overføring av varme fra et legeme med lavere temperatur til et legeme med høyere temperatur.

Alt prøver med andre ord å holde samme temperatur over tid. Det er mange formuleringer av termodynamikkens andre lov som bruker forskjellige begreper, men de betyr alle det samme. En annen Clausius-uttalelse:

Varme i seg selv oppstår ikke fra en kaldere kropp til en varmere.

Den andre loven gjelder kun for store systemer. Det gjelder den sannsynlige oppførselen til et system der det ikke er energi eller materie. Jo større systemet er, jo mer sannsynlig er den andre loven.

En annen formulering av loven:

Total entropi øker alltid i en spontan prosess.

Økningen i entropi ΔS under prosessen må overstige eller være lik forholdet mellom mengden varme Q som overføres til systemet og temperaturen T som varmen overføres ved.

Termodynamisk system

I i generell forstand Utsagnet om termodynamikkens andre lov sier på en enkel måte at temperaturforskjeller mellom systemer i kontakt med hverandre har en tendens til å utjevnes og at arbeid kan oppnås fra disse ikke-likevektsforskjellene. Men samtidig er det tap av termisk energi, og entropien øker. Forskjeller i trykk, tetthet og temperatur har en tendens til å utjevnes hvis de får sjansen; Tetthet og trykk, men ikke temperatur, avhenger av tyngdekraften. En varmemotor er en mekanisk enhet som gir nyttig arbeid på grunn av forskjellen i temperatur på de to kroppene.

Et termodynamisk system er et som samhandler og utveksler energi med området rundt det. Utveksling og overføring må skje på minst to måter. En måte må være varmeoverføring. Hvis et termodynamisk system er "i likevekt", kan det ikke endre tilstand eller status uten å samhandle med omgivelsene. Enkelt sagt, hvis du er i likevekt, er du et "lykkelig system", det er ingenting du kan gjøre. Hvis du vil gjøre noe, må du samhandle med verden rundt deg.

Termodynamikkens andre lov: irreversibilitet av prosesser

Det er umulig å ha en syklisk (gjentatt) prosess som fullstendig omdanner varme til arbeid. Det er også umulig å ha en prosess som overfører varme fra kalde gjenstander til varme gjenstander uten å bruke arbeid. Noe energi i en reaksjon går alltid tapt ved oppvarming. I tillegg kan ikke systemet konvertere all sin energi til arbeidsenergi. Den andre delen av loven er mer åpenbar.

En kald kropp kan ikke varme en varm kropp. Varm naturlig har en tendens til å strømme fra varmere til kjøligere områder. Hvis varmen beveger seg fra kjøligere til varmere temperaturer, strider det mot det som er "naturlig", så systemet må gjøre litt arbeid for å få det til. i naturen - termodynamikkens andre lov. Dette er kanskje den mest kjente (i hvert fall blant vitenskapsmenn) og viktige loven i hele vitenskapen. En av hans formuleringer:

Universets entropi tenderer til sitt maksimum.

Med andre ord, entropien forblir enten den samme eller blir større, universets entropi kan aldri avta. Problemet er at dette alltid er sant. Hvis du tar en flaske parfyme og sprayer den i et rom, vil snart duftende atomer fylle hele rommet, og denne prosessen er irreversibel.

Relasjoner i termodynamikk

Termodynamikkens lover beskriver forholdet mellom termisk energi, eller varme, og andre former for energi, og hvordan energi påvirker materie. Termodynamikkens første lov sier at energi ikke kan skapes eller ødelegges; total mengde energien i universet forblir uendret. Termodynamikkens andre lov omhandler kvaliteten på energi. Den sier at etter hvert som energi overføres eller omdannes, går mer og mer nyttig energi tapt. Den andre loven sier også at det er en naturlig tendens til at ethvert isolert system blir mer uordnet.

Selv når rekkefølgen øker inn bestemt sted når du tar hensyn til hele systemet, inkludert miljø, er det alltid en økning i entropi. I et annet eksempel kan det dannes krystaller fra en saltløsning når vann fordampes. Krystaller er mer ordnet enn saltmolekyler i løsning; imidlertid er fordampet vann mye mer rotete enn flytende vann. Prosessen sett under ett resulterer i en netto økning i uorden.

Arbeid og energi

Den andre loven forklarer at det er umulig å konvertere termisk energi til mekanisk energi med 100 prosent effektivitet. Du kan gi et eksempel med en bil. Etter prosessen med å varme opp gassen for å øke trykket for å drive stempelet, er det alltid noe varme igjen i gassen, som ikke kan brukes til å utføre noen tilleggsarbeid. Denne spillvarmen må avvises ved å overføre den til radiatoren. Når det gjelder en bilmotor, gjøres dette ved å trekke ut blandingen av brukt brensel og luft ut i atmosfæren.

I tillegg skaper enhver enhet med bevegelige deler friksjon, som konverterer mekanisk energi til varme, som vanligvis er ubrukelig og må fjernes fra systemet ved å overføre det til en kjøleribbe. Når en varm og kald kropp kommer i kontakt med hverandre, termisk energi vil strømme fra en varm kropp til en kald kropp til de når termisk likevekt. Varmen kommer imidlertid aldri tilbake den andre veien; temperaturforskjellen mellom to kropper vil aldri øke spontant. Å flytte varme fra en kald kropp til en varm kropp krever arbeid, som må utføres av en ekstern energikilde som en varmepumpe.

Universets skjebne

Den andre loven forutsier også slutten på universet. Dette er det ultimate nivået av uorden, hvis det er konstant termisk likevekt overalt, kan ikke noe arbeid gjøres og all energi vil ende opp som tilfeldig bevegelse av atomer og molekyler. I følge moderne data er Metagalaxy et ekspanderende ikke-stasjonært system, det kan ikke være snakk om universets termiske død. Varmedød er en tilstand av termisk likevekt der alle prosesser opphører.

Denne posisjonen er feil, siden termodynamikkens andre lov gjelder bare for lukkede systemer. Og universet, som vi vet, er ubegrenset. Imidlertid brukes begrepet "universets varmedød" noen ganger for å betegne et scenario for den fremtidige utviklingen av universet, ifølge hvilket det vil fortsette å utvide seg på ubestemt tid inn i rommets mørke til det blir til spredt kaldt støv.