Termodynamikkens andre lov. II

En av fysikkens grunnleggende lover, loven om ikke-avtagende entropi i et isolert system.
For et konstant temperatursystem er det spesifikk funksjon tilstand S - entropi, som er definert på en slik måte at
1. En adiabatisk overgang fra likevektstilstand A til likevektstilstand B er kun mulig når

2. Økningen i entropi i en langsom kvasi-statisk prosess er lik

Hvor T er temperatur.
Formuleringen ovenfor er veldig formell. Det er mange alternative formuleringer av termodynamikkens andre lov. For eksempel foreslo Planck følgende formulering:
Det er umulig å bygge en maskin som sykler, kjøler en varmekilde eller løfter last uten å forårsake imidlertid ingen endringer i natur.

Constantine Carathéodory ga en aksiomatisk streng formulering
Nær tilstand 1 eksisterer slike tilstander 2 adiabatiske overganger fra tilstand 1 til tilstand 2.

Boltzmann formulerte termodynamikkens andre lov fra statistisk fysikks synspunkt:
Naturen har en tendens til å bevege seg fra stater med lavere sannsynlighet for implementering til stater med høyere sannsynlighet for implementering.

Slike formuleringer er vanlige.
Det er umulig å være en evig bevegelse av et annet slag.

Det er umulig å overføre varme fra en kald kropp til en varm uten å bruke energi.

Hvert system har en tendens til å bevege seg fra orden til uorden.

Termodynamikkens andre lov ble formulert på midten av 1800-tallet, på den tiden da teoretisk grunnlag for design og konstruksjon av varmemotorer. Eksperimentene til Mayer og Joule etablerte ekvivalensen mellom termiske og mekaniske energier (termodynamikkens første lov). Spørsmålet oppsto om effektiviteten til varmemotorer. Eksperimentelle studier har vist at noe varme nødvendigvis går tapt under driften av en maskin.
På 1850- og 1860-tallet utviklet Clausius begrepet entropi i en rekke publikasjoner. I 1865 valgte han endelig et navn på det nye konseptet. Disse publikasjonene beviste også at varme ikke fullstendig kan omdannes til nyttig arbeid, og formulerer dermed termodynamikkens andre lov.
Boltzmann ga en statistisk tolkning av termodynamikkens andre lov, og introduserte en ny definisjon for entropi, som var basert på mikroskopiske atomistiske konsepter.
Statistisk fysikk introduserer en ny definisjon av entropi, som ved første øyekast er veldig forskjellig fra definisjonen av termodynamikk. Det er gitt av Boltzmann-formelen:

Hvor? - antall mikroskopiske tilstander som tilsvarer en gitt makroskopisk tilstand, k B- Boltzmann konstant.
Fra den statistiske definisjonen av entropi er det åpenbart at en økning i entropi tilsvarer en overgang til en makroskopisk tilstand som er karakterisert høyeste verdi mikroskopiske tilstander.
Hvis starttilstanden til et termodynamisk system er ikke-likevekt, beveger det seg over tid til en likevektstilstand, og øker entropien. Denne prosessen skjer bare i én retning. Den omvendte prosessen - overgangen fra en likevektstilstand til en innledende ikke-likevektstilstand - blir ikke realisert. Det vil si at tidens flyt får retning.
Fysikkens lover som beskriver den mikroskopiske verden er invariante under erstatning av t med -t. Denne uttalelsen gjelder både for lovene i klassisk mekanikk og lovene i kvantemekanikken. I den mikroskopiske verden virker konservative krefter det er ingen friksjon, som er spredning av energi, dvs. transformasjonen av andre typer energi til energien til termisk bevegelse, og dette er igjen assosiert med loven om ikke-avtagende entropi.
Tenk deg for eksempel en gass i et reservoar plassert i et større reservoar. Hvis du åpner ventilen til den mindre tanken, vil gassen etter en tid fylle den større tanken slik at dens tetthet utjevnes. I henhold til lovene i den mikroskopiske verden er det også en omvendt prosess, når gass fra et større reservoar samles i en mindre beholder. Men i den makroskopiske verden skjer dette aldri.
Hvis entropien til hvert isolert system bare øker med tiden, og universet er et isolert system, vil entropien en dag nå et maksimum, hvoretter eventuelle endringer i det vil bli umulige.
Slike betraktninger som dukket opp etter etableringen av den andre loven om termodynamikk, kalt varmedød. Denne hypotesen ble mye debattert på 1800-tallet.
Hver prosess i verden fører til spredning av deler av energien og omdannelse til varme, noe som fører til større uorden. Selvfølgelig er universet vårt fortsatt ganske ungt. Termonukleære prosesser i stjerner fører til en jevn strøm av energi til Jorden, for eksempel. Jorden er og vil forbli et åpent system i lang tid, som mottar energi fra ulike kilder: fra solen, fra prosesser radioaktivt forfall i kjernen, det vil si i åpne systemer, kan entropi avta, noe som fører til fremveksten av en rekke komfortable strukturer.

Termodynamikkens andre lov. Entropi.

Den andre loven er assosiert med begrepet entropi, som er et mål på kaos (eller et mål på orden). Termodynamikkens andre lov sier at for universet som helhet øker entropien.

Det er to klassiske definisjoner av termodynamikkens andre lov:

Kelvin og Planck

Det er ingen syklisk prosess som trekker ut en mengde varme fra et reservoar ved en viss temperatur og fullstendig omdanner denne varmen til arbeid. (Det er umulig å bygge en periodisk fungerende maskin som ikke gjør noe annet enn å løfte en last og avkjøle et varmereservoar)

Clausius

Det er ingen prosess hvis eneste resultat er overføring av varme fra en mindre oppvarmet kropp til en mer oppvarmet. (En sirkulær prosess er umulig, det eneste resultatet vil være produksjon av arbeid ved å avkjøle varmereservoaret)

Begge definisjonene av termodynamikkens andre lov er avhengig av termodynamikkens første lov, som sier at energien avtar.

Den andre loven er knyttet til begrepet entropi (S).

Entropi generert av alle prosesser, er det assosiert med tap av systemets evne til å utføre arbeid. Veksten av entropi er en spontan prosess. Hvis volumet og energien til et system er konstant, øker enhver endring i systemet entropien. Hvis volumet eller energien til systemet endres, synker systemets entropi. Universets entropi avtar imidlertid ikke.

For at energi skal kunne brukes, må det være områder med høyt og lavt energinivå i systemet. Nyttig arbeid produseres som følge av overføring av energi fra regionen med høy level energi til et område med lavt energinivå.

100 % av energien kan ikke omdannes til arbeid
Entropi kan genereres, men kan ikke ødelegges

Varmemotoreffektivitet

Effektiviteten til en varmemotor som opererer mellom to energinivåer bestemmes i form av absolutte temperaturer

η = (T h - T c) / T h = 1 - T c / T h

η = effektivitet

T c = nedre temperaturgrense (K)

For å oppnå maksimal effektivitet bør T c holdes så lavt som mulig. For at effekten skal være 100 %, må T c være lik 0 på Kelvin-skalaen. I praksis er dette umulig, så effektiviteten er alltid mindre enn 1 (mindre enn 100%).

Entropi endring > 0
Irreversibel prosess
Entropi endring = 0
Bilateralt prosess (reversibel)
Entropi endring< 0
Umulig prosess (ikke gjennomførbart)

Entropi bestemmer den relative evnen til ett system til å påvirke et annet. Når energien beveger seg til et lavere energinivå, hvor potensialet for påvirkning på miljøet reduseres, øker entropien.

Definisjon av entropi

Entropi er definert som:

T = absolutt temperatur (K)

En endring i entropien til et system er forårsaket av en endring i temperaturinnholdet i det. Entropiendringen er lik endringen i systemets temperatur delt på gjennomsnittet absolutt temperatur(Ta):

Summen av verdiene (H/T) for hver komplette Carnot-syklus er 0. Dette er fordi hver positive H er motsatt negativ betydning H.

Carnot termisk syklus

Carnot-syklusen er en ideell termodynamisk syklus.

I en varmemotor blir gass (reversibelt) oppvarmet og deretter avkjølt. Syklusmodellen er som følger: Posisjon 1 --() --> Posisjon 2 --() --> Posisjon 3 --(isotermisk kompresjon) --> Posisjon 4 --(adiabatisk kompresjon) --> Posisjon 1

Posisjon 1 - Posisjon 2: Isoterm ekspansjon
Isotermisk ekspansjon. Ved begynnelsen av prosessen har arbeidsfluidet en temperatur T h , det vil si temperaturen på varmeren. Kroppen bringes deretter i kontakt med en varmeovn, som isotermisk (ved konstant temperatur) overfører en mengde varme QH til den. Samtidig øker volumet av arbeidsvæsken. Q H =∫Tds=T h (S 2 -S 1) =T h ΔS
Posisjon 2 - Posisjon 3: Adiabatisk ekspansjon
Adiabatisk (isentropisk) ekspansjon. Arbeidsvæsken kobles fra varmeren og fortsetter å utvide seg uten varmeveksling med omgivelsene. Samtidig synker temperaturen til temperaturen i kjøleskapet.
Posisjon 3 - Posisjon 4: Isotermisk kompresjon
Isotermisk kompresjon. Arbeidsvæsken, som på det tidspunktet har en temperatur Tc, bringes i kontakt med kjøleskapet og begynner å komprimeres isotermisk, noe som gir varmemengden Qc til kjøleskapet. Qc=Tc(S2-S1)=TcAS
Posisjon 4 - Posisjon 1: Adiabatisk kompresjon
Adiabatisk (isentropisk) kompresjon. Arbeidsvæsken kobles fra kjøleskapet og komprimeres uten varmeveksling med omgivelsene. Samtidig øker temperaturen til varmeapparatets temperatur.

Under isotermiske prosesser forblir temperaturen konstant under adiabatiske prosesser, det er ingen varmeveksling, noe som betyr at entropi er bevart.

Derfor er det praktisk å representere Carnot-syklusen i T- og S-koordinater (temperatur og entropi).

Termodynamikkens lover ble bestemt empirisk (eksperimentelt). Termodynamikkens andre lov er en generalisering av eksperimenter relatert til entropi. Det er kjent at dS for systemet pluss dS for miljøet er lik eller større enn 0.

Entropien til et adiabatisk isolert system endres ikke!

Eksempel - Entropi ved oppvarming av vann

Prosessen med å varme opp 1 kg vann fra 0 til 100 o C (273 til 373 K)

Ved 0 o C = 0 kJ/kg (spesifikk - per masseenhet)

Ved 100 o C = 419 kJ/kg

Endring i spesifikk entropi:

dS = dH / T a

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

= 1.297 kJ/kg*K

Eksempel - Entropi under fordampning av vann

Prosessen med å omdanne 1 kg vann ved 100 o C (373 K) til mettet damp ved 100 o C (373 K) under normale forhold.

Spesifikk entalpi av damp ved 100 o C (373 K) før fordampning = 0 kJ/kg

100 o C (373 K) på fordampning = 2.258 kJ/kg

Endring i spesifikk entropi:

dS = dH / T a

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

= 6.054 kJ/kg*K

Den totale endringen i den spesifikke entropien til vannfordampning er summen av den spesifikke entropien til vann (ved 0 o C) pluss den spesifikke entropien til damp (ved en temperatur på 100 o C).

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 er anvendelige 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 Det store smellet, 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. Med andre ord, slipp potensiell energi er 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 ødelegges. Med andre ord, mengden energi i universet eller et hvilket som helst system er konstant. Termodynamikkens andre lov kalles vanligvis entropiloven, 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 du bruke energi på 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 annen effekt enn overføring av varme fra en kropp ved en lavere temperatur til en kropp ved en høyere temperatur. høy 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 kropp.

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 produserer nyttig arbeid på grunn av forskjellen i temperatur på to kropper.

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 går fra kjøligere til varmere temperaturer, er det i strid med det som er "naturlig", så systemet må jobbe litt for å få dette til. i naturen - termodynamikkens andre lov. Dette er kanskje den mest kjente (i hvert fall blant forskere) og viktige lover innen all vitenskap. 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 reduseres. 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 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 miljøet, er det alltid en økning i entropien. 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 ekstra arbeid. 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.

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 en overgang av 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 skape 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 kun varme vil bli overført 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 eksternt 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

Trening

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 varme fra legemer med høyere temperatur vil flytte til legemer med høyere temperatur. lav temperatur, det vil si at temperaturene til alle legemer i universet vil bli like. Universet vil komme til en tilstand av termisk likevekt, alle prosesser vil 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

Trening

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

Koeffisient nyttig handling syklus, som er presentert i fig. 1, finner vi den 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. Endring indre energi gass definerer vi 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:

Termodynamikkens første lov er en av de mest generelle og grunnleggende naturlovene. Det er ikke en eneste prosess kjent hvor i det minste

til en viss grad vil det være et brudd på den. Hvis noen prosess er forbudt av den første loven, kan du være helt sikker på at det aldri vil skje. Denne loven gir imidlertid ingen indikasjon på i hvilken retning prosesser som tilfredsstiller prinsippet om energibevaring utvikler seg.

La oss forklare dette med eksempler.

Retning av termiske prosesser. Termodynamikkens første lov sier ikke noe om i hvilken retning varmevekslingen skjer mellom kropper som bringes i termisk kontakt og befinner seg ved forskjellige temperaturer. Som diskutert ovenfor, skjer varmeveksling på en slik måte at temperaturene utjevnes og hele systemet har en tendens til en tilstand av termisk likevekt. Men den første loven ville ikke bli brutt hvis tvert imot overføringen av varme skjedde fra et legeme med lav temperatur til et legeme med en høyere, forutsatt at den totale tilførselen av indre energi forble uendret. Daglig erfaring viser imidlertid at dette aldri skjer av seg selv.

Et annet eksempel: når en stein faller fra en viss høyde, forsvinner all kinetisk energi i dens translasjonsbevegelse når den treffer bakken, men samtidig øker den indre energien til selve steinen og kroppene som omgir den, slik at loven av bevaring av energi, selvfølgelig, er ikke krenket. Men den omvendte prosessen ville ikke motsi termodynamikkens første lov, der en viss mengde varme ville bli overført fra omkringliggende gjenstander til en stein som lå på bakken, som et resultat av at steinen ville stige til en viss høyde. Imidlertid har ingen noen gang observert slike spontant hoppende steiner.

Ulikhet forskjellige typer energi. Når vi tenker på disse og andre lignende eksempler, kommer vi til den konklusjon at termodynamikkens første lov ikke pålegger noen begrensninger på retningen for transformasjoner av energi fra en type til en annen og på retningen for overføring av varme mellom legemer, og krever kun bevaring av hele energireserven i lukkede systemer. I mellomtiden viser erfaring at ulike typer energi ikke er likeverdige når det gjelder deres evne til å omdannes til andre typer.

Mekanisk energi kan fullstendig omdannes til indre energi i enhver kropp, uavhengig av temperaturen. Faktisk kan enhver kropp varmes opp ved friksjon, og øke dens indre energi med en mengde som tilsvarer arbeidet som er utført. Lignende Elektrisk energi kan fullstendig omdannes til indre, for eksempel ved å føre en elektrisk strøm gjennom en motstand.

For de omvendte transformasjonene av intern energi til andre typer, er det visse begrensninger, som består i det faktum at lageret av intern energi under ingen omstendigheter kan konverteres

helt inn i andre typer energi. De bemerkede egenskapene til energitransformasjoner er assosiert med retningen til prosesser i naturen. Termodynamikkens andre lov, som reflekterer retningen til naturlige prosesser og pålegger begrensninger på mulige retninger for energitransformasjoner i makroskopiske systemer, er, som enhver grunnleggende lov, en generalisering stort nummer erfarne fakta.

For å tydeligere forestille seg det fysiske innholdet i termodynamikkens andre lov, la oss vurdere mer detaljert spørsmålet om reversibiliteten til termiske prosesser.

Reversible og irreversible prosesser. Hvis forholdene endres sakte nok slik at hastigheten på prosessen som skjer i systemet som vurderes er betydelig mindre hastighet avspenning, så vil en slik prosess fysisk representere en kjede av likevektstilstander nær hverandre. Derfor er en slik prosess beskrevet av de samme makroskopiske parameterne som likevektstilstanden. Disse langsomme prosessene kalles likevekt eller kvasi-statiske. I slike prosesser kan systemet karakteriseres av parametere som trykk, temperatur osv. Reelle prosesser er ikke-likevekt og kan betraktes som likevekt med større eller mindre nøyaktighet.

Tenk på følgende eksempler.

La gassen være i en sylindrisk beholder lukket av et stempel. Hvis du utvider stempelet med en begrenset hastighet, vil utvidelsen av gassen være en irreversibel prosess. Faktisk, så snart stempelet er forlenget, vil gasstrykket direkte ved stempelet være mindre enn i andre deler av sylinderen. En slik prosess kan ikke utføres reversibelt gjennom de samme mellomtilstandene, siden når stempelet skyves tilbake med en begrenset hastighet, vil ikke en sjeldne gass oppstå nær stempelet, men dets kompresjon. Den raske ekspansjonen eller komprimeringen av en gass gir således et eksempel på en irreversibel prosess.

For å utvide gassen på en strengt reversibel måte, må stempelet forlenges i det uendelige sakte. I dette tilfellet vil gasstrykket være det samme gjennom hele volumet i hvert øyeblikk, gassens tilstand vil avhenge av stempelets posisjon, og ikke av bevegelsesretningen, og prosessen vil være reversibel.

Irreversibiliteten til prosessen med gassekspansjon er tydeligst manifestert når ekspansjonen skjer inn i tomheten uten å fullføre mekanisk arbeid.

Alle prosesser ledsaget av varmeveksling mellom legemer som har forskjellige temperaturer. Irreversibiliteten til en slik varmeveksling er spesielt tydelig synlig i eksemplet med utjevning av temperaturene til legemer som bringes i kontakt.

Irreversible prosesser er de der mekanisk energi omdannes til intern energi i nærvær av friksjon, som ofte omtales som frigjøring av varme på grunn av friksjon. I fravær av friksjon vil alle mekaniske prosesser forløpe reversibelt.

Således er likevektsreversible prosesser en abstraksjon, og i praksis, på grunn av eksistensen av friksjon og varmeoverføring, forekommer de ikke. Studiet av likevektsprosesser i termodynamikk gjør det imidlertid mulig å indikere hvordan prosesser bør utføres i virkelige systemer for å oppnå de beste resultatene.

Ulike formuleringer av termodynamikkens andre lov. Historisk sett var oppdagelsen av termodynamikkens andre lov assosiert med studiet av spørsmålet om maksimal effektivitet av varmemotorer, utført av den franske forskeren Sadi Carnot. Senere foreslo R. Clausius og W. Thomson (Lord Kelvin) forskjellige, men likeverdige formuleringer av termodynamikkens andre lov.

I følge Clausius sin formulering er en prosess umulig hvis eneste resultat ville være overføring av varme fra et legeme med lavere temperatur til et legeme med høyere temperatur.

Thomson formulerte termodynamikkens andre lov som følger: en periodisk prosess er umulig, det eneste endelige resultatet av dette ville være utførelse av arbeid på grunn av varme tatt fra en kropp.

Uttrykket «eneste resultat» i disse formuleringene betyr at det ikke skjer andre endringer enn de som er angitt, verken i systemene som vurderes eller i organene som omgir dem. Et konvensjonelt diagram over denne typen prosess, forbudt av Clausius-postulatet, er vist i fig. 56, og prosessen som er forbudt av Thomsons postulat er vist i fig. 57.

I Thomsons formulering legger termodynamikkens andre lov begrensninger på omdannelsen av indre energi til mekanisk energi. Av Thomsons formulering følger det at det er umulig å bygge en maskin som vil utføre arbeid bare ved å motta varme fra omgivelsene. En slik hypotetisk maskin ble kalt en evighetsmaskin av den andre typen, siden på grunn av de ubegrensede reservene av indre energi i jorden, havet og atmosfæren, ville en slik maskin tilsvare en evighetsmaskin for alle praktiske formål.

En evighetsmaskin av den andre typen er ikke i konflikt med termodynamikkens første lov, i motsetning til en evighetsmaskin av den første typen, dvs. en enhet for å utføre arbeid uten å bruke noen energikilde i det hele tatt.

Ekvivalens av formuleringene til Clausius og Thomson. Ekvivalens av formuleringene til termodynamikkens andre lov,

foreslått av Clausius og Thomson, er etablert ved enkle resonnement.

La oss anta at Thomsons postulat ikke er sant. Da er det mulig å gjennomføre en slik prosess, hvis eneste resultat ville være utførelse av arbeid på grunn av varme hentet fra en enkelt kilde med temperatur T. Dette arbeidet kan for eksempel ved friksjon omdannes fullstendig igjen til varme overført til et legeme hvis temperatur er høyere enn T Det eneste resultatet av en slik sammensatt prosess vil være overføring av varme fra et legeme med temperatur T til et legeme med høyere temperatur. Men dette ville motsi Clausius sitt postulat. Så Clausius sitt postulat kan ikke være gyldig hvis Thomsons postulat er usant.

La oss nå anta at tvert imot, Clausius’ postulat er ugyldig, og vi vil vise at i dette tilfellet heller ikke Thomsons postulat kan tilfredsstilles. La oss bygge en vanlig varmemotor som vil fungere ved å motta en viss mengde varme fra varmeren, gi den til kjøleskapet og konvertere differansen til arbeid (fig. 58).

Siden Clausius sitt postulat antas å være usant, kan det gjennomføres en prosess hvis eneste resultat er overføring av like mye varme fra kjøleskapet til varmeren. Dette er vist skjematisk på høyre side av fig. 58.

Ris. 56. Skjematisk diagram av en hypotetisk enhet der Clausius-postulatet er krenket

Ris. 57. Skjematisk diagram av en hypotetisk enhet der Thomsons postulat er krenket

Ris. 58. Kombinere enheten vist i fig. med en varmemotor. 56, der Clausius-postulatet krenkes, får vi et system der Thomson-postulatet krenkes

Som et resultat vil varmeren avgi en mengde varme til arbeidsvæsken til varmemotoren, og motta, i en prosess som motsier Clausius-postulatet, en mengde varme slik at den generelt vil avgi en mengde varme lik akkurat dette beløpet

Maskinen omdanner varme til arbeid. I kjøleskapet som helhet skjer det ingen endringer i det hele tatt, fordi det gir og mottar samme mengde varme Nå er det klart at ved å kombinere virkningen av en varmemotor og en prosess som motsier Clausius sitt postulat, kan man oppnå en prosess. som motsier Thomsons postulat.

Dermed er postulatene til Clausius og Thomson enten sanne eller begge usanne, og i denne forstand er de likeverdige. Deres gyldighet for makroskopiske systemer bekreftes av alle tilgjengelige eksperimentelle fakta.

Carathéodorys prinsipp. Det fysiske innholdet i termodynamikkens andre lov i formuleringene til Clausius og Thomson er uttrykt i form av en uttalelse om umuligheten av spesifikke termiske prosesser. Men det er også mulig å gi en formulering som ikke spesifiserer typen prosess, hvis umulighet er angitt av denne loven. Denne formuleringen kalles Carathéodorys prinsipp. I henhold til dette prinsippet, nær hver likevektstilstand i ethvert termodynamisk system er det andre likevektstilstander som er uoppnåelige fra den første adiabatisk.

La oss vise ekvivalensen mellom Thomsons formulering og Carathéodorys prinsipp. La et vilkårlig termodynamisk system kvasistatisk gå over fra en tilstand 1 til en nær tilstand 2, motta en viss mengde varme og utføre arbeid, i samsvar med termodynamikkens første lov

La oss returnere systemet adiabatisk fra tilstand 2 til tilstand. Så i en slik omvendt prosess er det ingen varmeoverføring, og termodynamikkens første lov gir

hvor er arbeidet utført av systemet. Ved å legge til (1) og (2), får vi

Forholdet (3) viser at i en slik syklisk prosess, konverterte systemet, etter å ha returnert til sin opprinnelige tilstand, all varmen som ble mottatt til arbeid. Men dette er umulig i henhold til termodynamikkens andre lov som formulert av Thomson. Dette betyr at en slik syklisk prosess ikke er gjennomførbar. Det første trinnet er alltid mulig: på dette stadiet blir varme ganske enkelt tilført systemet, og ingen andre betingelser er pålagt. Derfor er bare det andre trinnet umulig her, når systemet i henhold til betingelsen må gå tilbake til sin opprinnelige tilstand adiabatisk. Med andre ord,

staten er adiabatisk utilgjengelig fra en stat nær den 2.

Prinsippet om adiabatisk uoppnåelighet betyr at nesten alle ekte fysiske prosesser oppstår med varmeveksling: adiabatiske prosesser er et sjeldent unntak. Ved siden av hver likevektstilstand er det mange andre, overgangen til som nødvendigvis krever varmeveksling, og bare noen få av dem kan nås adiabatisk.

Basert på de ovennevnte formuleringene av termodynamikkens andre lov, er det mulig å oppnå Carnots resultater for maksimal mulig effektivitet av varmemotorer. For en varmemotor som sykler mellom en varmeovn med en fast temperatur og et kjøleskap med en temperatur, kan ikke effektivitetskoeffisienten overstige verdien

Den høyeste verdien bestemt av formel (4) oppnås ved at en varmemotor utfører en reversibel syklus, uavhengig av hva som brukes som arbeidsvæske. Denne påstanden, vanligvis kalt Carnots teorem, vil bli bevist nedenfor.

En syklus er reversibel hvis den består av reversible prosesser, det vil si de som kan utføres i alle retninger gjennom samme kjede av likevektstilstander.

Ris. 59. Carnot-syklus på det ideelle gassdiagrammet

Den eneste reversible sykliske prosessen som kan utføres mellom en varmeovn og et kjøleskap ved faste temperaturer er den såkalte Carnot-syklusen, bestående av to isotermer og to adiabater. For en ideell gass er en slik syklus vist i fig. 59. I seksjon 1-2 har gassen en temperatur som er lik temperaturen på varmeren og ekspanderer isotermisk og mottar varmemengden fra varmeren. I dette tilfellet gjør gassen positivt arbeid lik den mottatte varmen. I seksjon 2-3 ekspanderer gassen adiabatisk, og samtidig synker temperaturen fra til en verdi lik kjøleskapets temperatur. Arbeidet som utføres av gassen i denne seksjonen er lik reduksjonen i dens indre energi. I neste avsnitt 3-4 blir gassen isotermisk komprimert. Samtidig overfører den til kjøleskapet en mengde varme som tilsvarer arbeidet som er utført på den under komprimering. I avsnitt 4-1 komprimeres gassen adiabatisk til den er det

temperaturen vil ikke stige til verdien Økningen i indre energi til gassen er lik arbeidet med ytre krefter utført under komprimering av gassen.

Carnot-syklusen er den eneste lukkede prosessen som kan utføres på en reversibel måte. Faktisk er adiabatiske prosesser reversible hvis de utføres sakte nok, det vil si kvasi-statisk. Isotermiske prosesser er de eneste prosessene som involverer varmeveksling som kan utføres på en reversibel måte. I en hvilken som helst annen prosess endres temperaturen på arbeidsfluidet, og i henhold til termodynamikkens andre lov kan varmeveksling med en varmeovn eller et kjøleskap ikke være reversibel: varmeveksling i nærvær av en begrenset temperaturforskjell har karakter av å nærme seg termisk likevekt og er ikke en likevektsprosess.

Selvfølgelig skjer varmeveksling i fravær av en temperaturforskjell uendelig sakte. Derfor fortsetter den reversible Carnot-syklusen på ubestemt tid, og kraften til varmemotoren ved maksimal mulig effektivitet, bestemt av formel (4), har en tendens til null. Prosesser i enhver ekte maskin inneholder nødvendigvis irreversible koblinger, og derfor er effektiviteten alltid mindre enn den teoretiske grensen (4).

Forutsetninger for å oppnå maksimalt arbeid. Transformasjonen av indre energi til mekanisk energi, som følger av termodynamikkens andre lov, kan ikke utføres fullstendig. For å konvertere størst mulig del av intern energi til mekanisk energi, er det nødvendig å bruke utelukkende reversible prosesser. For å illustrere, tenk på følgende eksempel. La det være et legeme som ikke er i termisk likevekt med omgivelsene, for eksempel en ideell gass i en sylinder med et stempel, som har en temperatur høyere enn omgivelsestemperaturen T (fig. 60). Hvordan kan du oppnå den største mengden arbeid, forutsatt at gassen i slutttilstanden skal oppta samme volum som i starttilstanden?

Ris. 60. Mot maksimal ytelse

Hvis gasstemperaturen var lik omgivelsestemperaturen, det vil si at gassen ville vært inne termisk likevekt med miljøet ville det være umulig å få noe arbeid i det hele tatt. Transformasjonen av indre energi til mekanisk energi kan bare skje hvis starttilstanden til hele systemet ikke er likevekt.

Men med en starttilstand som ikke er likevekt, er overgangen av systemet til likevektstilstanden ikke nødvendigvis ledsaget av konvertering av indre energi til mekanisk energi. Hvis du bare tar med gassen inn

termisk kontakt med omgivelsene, hindrer den i å utvide seg, gassen vil kjøle seg ned og ingen arbeid vil bli utført. Derfor, for å kunne utføre arbeid, er det nødvendig å gi gassen muligheten til å utvide seg, med tanke på at den da må komprimeres, siden i henhold til betingelsen, i den endelige tilstanden må gassen oppta samme volum som i utgangstilstanden.

For å oppnå maksimalt arbeid må overgangen fra starttilstand til slutttilstand gjøres reversibelt. Og dette kan bare gjøres ved hjelp av adiabatiske og isotermiske prosesser. Så gassen bør ekspanderes adiabatisk til dens temperatur er lik omgivelsestemperaturen T, og deretter komprimeres isotermisk ved denne temperaturen til sitt opprinnelige volum (fig. 61). Arbeidet som gjøres av gassen under adiabatisk ekspansjon 1-2, som det fremgår av figuren, er større enn arbeidet som måtte gjøres på gassen under isotermisk kompresjon 2-3. Det maksimale arbeidet som kan oppnås under overgangen av en gass fra tilstand 1 til tilstand 3 er lik området som er skravert i fig. 61 buede trekanter 1-2-3.

De studerte handlingsmønstrene til en reversibel varmemotor lar oss vurdere prinsippene for drift av kjølemaskinen og varmepumpe. I en kjølemaskin skjer alle prosesser i motsatt retning (sammenlignet med en varmemotor) (fig. 62). På grunn av ytelsen til mekanisk arbeid A fjernes en viss mengde varme fra et reservoar med lavere temperatur. Samtidig overføres en mengde varme til et reservoar med høyere temperatur, hvis rolle vanligvis spilles av miljøet lik summen På grunn av reversibiliteten til den aktuelle maskinen, er forholdet gyldig for den

som i samsvar med (4) kan betraktes som virkningsgraden til den tilsvarende varmemotoren.

For en kjølemaskin er den største interessen mengden varme som fjernes fra det avkjølte reservoaret. Fra (5) for vi har

En graf over avhengigheten av omgivelsestemperaturen (for en reversibel prosess) er vist i fig. 63. Det kan sees at når varmen er fjernet, Men ved en liten temperaturforskjell forholdet kan ta store verdier. Med andre ord effektiviteten til kjølemaskinen på nært hold

verdiene kan være veldig store, siden mengden varme som fjernes fra de avkjølte legene kan betydelig overstige arbeidet A, som i ekte kjølemaskiner utføres av en kompressor drevet av en elektrisk motor.

I teknisk termodynamikk, for å karakterisere en kjølemaskin, brukes den såkalte kjølingskoeffisienten, definert som forholdet mellom mengden varme som tas fra de avkjølte legene og arbeidet til ytre krefter.

I motsetning til en varmemotor (4), kan ytelseskoeffisienten ta verdier som er større enn enhet.

Ris. 61. Prosessen med å oppnå maksimalt arbeid på -diagrammet

Ris. 62. Skjematisk diagram av en kjølemaskin

I ekte industri- og husholdningsinstallasjoner og mer. Som det fremgår av (7), jo mindre temperaturen i omgivelsene og den avkjølte kroppen er forskjellig, desto større er kjølingskoeffisienten.

La oss nå vurdere driften av en varmepumpe, dvs. en kjølemaskin som opererer for å varme opp et varmt reservoar (oppvarmet rom) på grunn av varmen som fjernes fra det kalde reservoaret (miljø). Kretsskjemaet til en varmepumpe er identisk med det for en kjølemaskin (se fig. 62). I motsetning til en kjølemaskin for en varmepumpe, er den praktiske interessen ikke mengden varme som mottas av den oppvarmede kroppen: For analogt med (6) har vi

I teknisk termodynamikk, for å karakterisere effektiviteten til varmepumper, introduseres den såkalte varmekoeffisienten eotop, lik

De gitte formlene (7) og (9) gjelder for reversible maskiner. For ekte maskiner, hvor prosesser er helt eller delvis irreversible, gir disse formlene et estimat av kjøle- og oppvarmingskoeffisienten.

Så når du bruker en varmepumpe, mottar det oppvarmede rommet mer varme enn ved direkte oppvarming. W. Thomson trakk oppmerksomhet til denne omstendigheten da han foreslo ideen om såkalt dynamisk oppvarming, som består av følgende. Varmen som oppnås fra brenning av drivstoff brukes ikke til å varme opp rommet direkte, men sendes til en varmemotor for å produsere mekanisk arbeid. Med dette arbeidet aktiveres varmepumpen som varmer opp rommet. Når temperaturforskjellen mellom omgivelsene og det oppvarmede rommet er liten, mottar sistnevnte merkbart mer varme enn det som frigjøres ved brenning av drivstoff. Dette kan virke paradoksalt.

I virkeligheten er det ikke noe paradoks i varmepumpen og dynamisk oppvarming, noe som blir helt klart hvis vi bruker konseptet om kvaliteten på intern energi. Kvaliteten på intern energi refererer til dens evne til å forvandle seg til andre typer. I denne forstand høyeste kvalitet karakterisert ved energi i mekaniske eller elektromagnetiske former, siden den fullstendig kan omdannes til intern energi ved enhver temperatur. Når det gjelder intern energi, er kvaliteten høyere, jo høyere temperaturen er i kroppen der den er lagret. Enhver naturlig forekommende irreversibel prosess, for eksempel overføring av varme til en kropp med lavere temperatur, fører til en devaluering av intern energi og en reduksjon i dens kvalitet. I reversible prosesser oppstår ikke en nedgang i energikvaliteten, siden alle energitransformasjoner kan gå i motsatt retning.

Med den vanlige oppvarmingsmetoden frigjøres all varmen ved brenning av drivstoff ved oppvarming av spolen elektrisk støt eller mottatt fra et varmt reservoar, etc., passerer inn i rommet i form av samme mengde varme, men ved en lavere temperatur, som representerer en kvalitativ avskrivning av intern energi. En varmepumpe eller et dynamisk varmesystem eliminerer den direkte irreversible varmevekslingen mellom legemer ved forskjellige temperaturer.

Når en varmepumpe eller et dynamisk varmesystem fungerer, øker kvaliteten på intern energi som overføres til det oppvarmede rommet fra omgivelsene. Ved en liten temperaturforskjell, når kvaliteten på denne energien ikke øker betydelig, blir mengden større, noe som forklarer varmepumpens høye effektivitet og dynamisk oppvarming generelt.

Gi eksempler på fenomener som tilfredsstiller loven om bevaring av energi, men som likevel aldri blir observert i naturen.

Hva er forskjellen mellom ulike typer energi? Illustrer denne ulikheten med eksempler.

Hva er en reversibel termisk prosess? Gi eksempler på reversible og irreversible prosesser.

Hvilke krav må et fysisk system tilfredsstille for at mekaniske prosesser i det skal skje reversibelt? Forklar hvorfor friksjon og spredning av mekanisk energi gjør alle prosesser irreversible.

Gi ulike formuleringer av termodynamikkens andre lov. Bevis ekvivalensen til Clausius- og Thomson-formuleringene.

Hva betyr Carathéodorys prinsipp ift ideell gass? Forklar svaret ditt ved å bruke et -diagram for å skildre tilstanden.

Vis at den fysiske betydningen av termodynamikkens andre lov er å etablere en uløselig sammenheng mellom irreversibiliteten til virkelige prosesser i naturen og varmeoverføring.

Formuler forholdene under hvilke effektiviteten til en varmemotor som opererer i en reversibel syklus vil være nær enhet.

Vis at Carnot-syklusen er den eneste reversible sykliske prosessen for en motor som bruker to varmereservoarer ved faste temperaturer.

Ved drøftelse av vilkårene for å oppnå maksimalt arbeid ble det ikke tatt hensyn til Atmosfæretrykk, som virker på stemplet fra utsiden. Hvordan vil det å ta hensyn til dette presset påvirke resonnementet ovenfor og resultatet?

Gassen i en sylinder lukket av et stempel har samme temperatur som luften rundt, men et høyere (eller lavere) trykk enn trykket i atmosfæren. Hvilke prosesser bør utføres med gass for å oppnå maksimalt nyttig arbeid på grunn av systemets manglende likevekt? Tegn disse prosessene på et diagram, forutsatt at gassen i sylinderen er ideell.

Gassen i en sylinder lukket av et stempel har samme trykk som luften rundt, men en høyere (eller lavere) temperatur. Hvilke prosesser bør utføres med gass for å oppnå maksimalt nyttig arbeid på grunn av systemets manglende likevekt? Tegn dem på et diagram.

Vurder to forskjellige dynamiske oppvarmingsordninger der en varmemotor enten frigjør varme miljø, eller et oppvarmet rom. Vis at i tilfelle hvor alle prosesser er reversible, har begge ordningene samme effektivitet. Hvilken ordning vil være mer effektiv i et reelt system, når prosesser ikke kan anses som fullstendig reversible?