ANTRASIS TERMODINAMIKOS DĖSNIS: FORMULĖS, LYGTYS, PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Antrasis termodinamikos dėsnis turi keletą formų išraiška. Viename iš jų teigiama, kad joks šilumos variklis nesugeba visiškai paversti visos energijos, kurią sugeria, darbui (Kelvin-Planck formuluotė). Kitas būdas tai pasakyti yra pasakyti, kad realūs procesai vyksta tokia prasme, kad energijos kokybė yra žemesnė, nes entropija linkusi didėti.

Šis įstatymas, dar žinomas kaip antrasis termodinamikos principas, laikui bėgant buvo išreikštas skirtingais būdais, nuo devynioliktojo amžiaus pradžios iki šių dienų, nors jo atsiradimo pradžia siekia pirmųjų garo variklių kūrimą Anglijoje. , XVIII amžiaus pradžioje.

1 paveikslas. Mesti statybinius blokus į žemę būtų labai stebėtina, jei jie nukristų tvarkingai. Šaltinis: „Pixabay“.

Tačiau nors tai išreiškiama įvairiais būdais, idėja, kad materija linkusi sutrikti ir kad joks procesas nėra 100% efektyvus, nes nuostoliai visada bus.

Visos termodinaminės sistemos laikosi šio principo, pradedant nuo pačios visatos, iki rytinio kavos puodelio, kuris ramiai laukia ant stalo keisdamasis šiluma su aplinka.

Kava atvėsta, laikui bėgant, kol bus pusiausvyroje su aplinka, todėl būtų labai nuostabu, jei vieną dieną nutiktų priešingai, o aplinka atvėstų, kol kava pati kaitindavosi. Vargu, ar tai įvyks, kai kurie sakys, kad neįmanoma, tačiau užtenka to įsivaizduoti, kad susidarytum supratimą apie jausmą, kuriame viskas vyksta spontaniškai.

Kitame pavyzdyje, jei stumdome knygą per stalo paviršių, ji ilgainiui sustos, nes dėl trinties jos kinetinė energija bus prarasta kaip šiluma.

Pirmasis ir antrasis termodinamikos įstatymai buvo sukurti maždaug 1850 m. Dėka tokių mokslininkų, kaip lordas Kelvinas - termino „termodinamika“ kūrėjas, Williamas Rankine'as - pirmojo termodinamikos teksto autorius - ir Rudolph Clausius.

Formulės ir lygtys

Entropija, minima pradžioje, padeda mums nustatyti, kas vyksta. Grįžkime prie šiluminio kontakto kūnų pavyzdžio.

Kai susiliečia du skirtingos temperatūros objektai ir pagaliau po kurio laiko pasiekiama šiluminė pusiausvyra, jie prie jo pritraukiami dėl to, kad entropija pasiekia savo maksimumą, kai abiejų temperatūra yra vienoda.

Pažymint entropiją kaip S, sistemos entropijos ΔS pokytis pateikiamas:

Entropijos ΔS pokytis rodo sutrikimo laipsnį sistemoje, tačiau šios lygties vartojimui yra apribojimas: ji taikoma tik grįžtamiesiems procesams, tai yra tiems, kuriuose sistema gali grįžti į pradinę būseną neišeidama. pėdsakas to, kas atsitiko-.

Negrįžtamuose procesuose pasirodo toks antrasis termodinamikos dėsnis:

Grįžtami ir negrįžtami procesai

Kavos puodelis visada atšąla ir yra geras negrįžtamo proceso pavyzdys, nes jis visada vyksta tik viena kryptimi. Įpildami grietinėlės į kavą ir išmaišę, gausite labai malonų derinį, tačiau kad ir kiek maišytumėte, kavos ir grietinėlės vėl neturėsite atskirai, nes maišymas yra negrįžtamas.

2 pav. Puodelio lūžimas yra negrįžtamas procesas. Šaltinis: „Pixabay“.

Nors dauguma kasdienių procesų yra negrįžtami, kai kurie beveik negrįžtami. Grįžtamumas yra idealizavimas. Kad tai įvyktų, sistema turi keistis labai lėtai, kad kiekviename taške ji visada būtų pusiausvyroje. Tokiu būdu įmanoma grąžinti jį į ankstesnę būseną, nepaliekant pėdsakų aplinkoje.

Procesai, kurie yra gana artimi šiam idealui, yra efektyvesni, nes jie atlieka daugiau darbo, sunaudodami mažiau energijos.

Trinties jėga lemia didžiąją dalį negrįžtamumo, nes jos sukuriama šiluma nėra tokia energijos rūšis, kurios siekiama. Knygoje, slenkančioje per stalą, trinties šiluma yra energija, kuri neatgaunama.

Net jei knyga grįš į pradinę padėtį, stalas bus karštas, kaip pėdsakai ateinant ir einant prie jos.

Dabar pažvelk į kaitinamąją lemputę: didžiąją dalį darbo, kurį srovė atlieka per kaitrinę giją, švaistoma šiluma, naudojant Džaulio efektą. Šviesai skleisti naudojama tik nedidelė procentinė dalis. Abiejuose procesuose (knygoje ir lemputėje) padidėjo sistemos entropija.

Programos

Idealus variklis yra tas, kuris yra pagamintas naudojant grįžtamuosius procesus ir neturi trinties, sukeliančios energijos švaistymą, paverčiant beveik visą šiluminę energiją tinkamu darbu.

Mes akcentuojame žodį beveik, nes net ir idealus variklis, kuris yra „Carnot“, nėra 100% efektyvus. Antrasis termodinamikos dėsnis rūpinasi, kad taip nėra.

Carnot variklis

Carnot variklis yra pats efektyviausias variklis, kurį galima sugalvoti. Jis veikia tarp dviejų temperatūros rezervuarų dviem izoterminiais procesais - esant pastoviai temperatūrai - ir dviem adiabatiniams procesams - neperduodant šiluminės energijos.

Grafikai, vadinami PV - slėgio ir tūrio diagramos - iš pirmo žvilgsnio paaiškina situaciją:

3 paveikslas. Kairėje „Carnot“ variklio diagrama, o dešinėje - PV schema. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Kairėje, 3 pav., Yra „Carnot“ variklio C schema, kuri paima šilumą Q ₁ iš rezervuaro, kurio temperatūra T ₁ , paverčia tą šilumą darbu W ir perduoda atliekas Q ₂ į šaltesnį baką, kuris yra T ₂ temperatūroje .

Pradedant nuo A, sistema plečiasi, kol pasiekia B, sugerdama šilumą fiksuotoje temperatūroje T ₁ . B punkte sistema pradeda adiabatinį išsiplėtimą, kuriame šiluma nėra įgyjama ar prarandama, kad pasiektų C.

C temperatūroje prasideda kitas izoterminis procesas: šilumos perdavimas į kitą šaltesnį terminį indėlį, esantį T ₂ . Tokiu atveju sistema suspaudžiama ir pasiekia tašką D. Prasideda antrasis adiabatinis procesas, kuris grįžta į pradinį tašką A. Tokiu būdu ciklas yra baigtas.

„Carnot“ variklio efektyvumas priklauso nuo dviejų šiluminių rezervuarų temperatūros kelvinuose:

Carnot'o teorema teigia, kad tai pats efektyviausias šilumos variklis, tačiau nereikia per greitai jo nusipirkti. Prisimeni, ką kalbėjome apie procesų grįžtamumą? Jie turi įvykti labai, labai lėtai, todėl šio aparato išėjimo galia yra praktiškai lygi nuliui.

Žmogaus metabolizmas

Žmonėms reikia energijos, kad visos sistemos veiktų, todėl jie elgiasi kaip šiluminės mašinos, kurios gauna energiją ir ją paverčia mechanine energija, pavyzdžiui, judėti.

Žmogaus kūno efektyvumas dirbant gali būti apibrėžtas kaip santykis tarp mechaninės galios, kurią jis gali suteikti, ir visos su maistu gaunamos energijos.

Kadangi vidutinė galia P _m yra darbas W, atliktas per laiko tarpą Δt, jis gali būti išreikštas taip:

Jei ΔU / Δt yra energijos pridėjimo greitis, kūno efektyvumas tampa:

Atlikus daugybę bandymų su savanoriais, buvo pasiektas iki 17% efektyvumas, kelioms valandoms tiekiant apie 100 vatų galios.

Žinoma, tai daugiausia priklausys nuo atliktos užduoties. Dviračio pedalas yra šiek tiek efektyvesnis (maždaug 19 proc.), O kartojančios užduotys, apimančios kastuvus, kirtiklius ir kaplius, siekia tik apie 3 proc.

Pavyzdžiai

Antrasis termodinamikos dėsnis yra susijęs su visais Visatoje vykstančiais procesais. Entropija visada didėja, nors atrodo, kad kai kuriose sistemose ji mažėja. Kad tai įvyktų, ji turėjo padidėti kitur, kad bendrame balanse ji būtų teigiama.

- Mokantis yra entropija. Yra žmonių, kurie gerai ir greitai išmoksta dalykų, o vėliau juos lengvai įsimena. Sakoma, kad tai žmonės, kurių entropija mokosi mažai, tačiau jų tikrai nėra tiek daug, kaip tų, kurie turi didelę entropiją: tie, kuriems sunkiau atsiminti studijuojamus dalykus.

- Bendrovė, kurioje dirba netvarkingi darbuotojai, turi daugiau entropijos nei ta, kurioje darbuotojai tvarkingai vykdo užduotis. Akivaizdu, kad pastarosios bus efektyvesnės nei pirmosios.

- Trinties jėgos sukuria mažesnį mašinų darbo efektyvumą, nes jos padidina energijos kiekį, kurio negalima efektyviai panaudoti.

- Kauliuko valcavimas turi didesnę entropiją nei monetos apvertimas. Galų gale, numetus monetą yra tik 2 galimi padariniai, o numetus veržlę - 6. Kuo daugiau įvykių, tuo daugiau entropijos.

Išspręsta mankšta

1 pratimas

Stūmoklinis cilindras užpildomas skysčio ir vandens garų mišiniu esant 300 K ir 750 kJ šilumos perduodama į vandenį pastovaus slėgio būdu. Dėl to baliono viduje esantis skystis išgaruoja. Apskaičiuokite entropijos pokyčius procese.

4 pav. Išskirto pavyzdžio paveikslėlis 1. Šaltinis: F. Zapata.

Sprendimas

Pareiškime aprašytas procesas atliekamas esant pastoviam slėgiui uždaroje sistemoje, kurioje nevyksta masės mainai.

Kadangi tai yra garinimas, kurio metu temperatūra taip pat nesikeičia (fazių pokyčių metu temperatūra yra pastovi), galima taikyti aukščiau pateiktą entropijos pokyčio apibrėžimą ir temperatūra gali išeiti už integralo ribų:

ΔS = 750 000 J / 300 K = 2 500 J / K

Kadangi šiluma patenka į sistemą, entropijos pokytis yra teigiamas.

2 pratimas

Dujoms padidėja slėgis nuo 2,00 iki 6,00 atmosferų (atm), palaikant pastovų 1,00 m ³ tūrį , o po to plečiantis esant pastoviam slėgiui, kol pasiekiama 3,00 m ³ tūrio . Galiausiai ji grįžta į pradinę būseną. Apskaičiuokite, kiek darbo nuveikta per 1 ciklą.

5 pav. Termodinaminis procesas dujose, pvz., 2. Šaltinis: „Serway-Volle“. Fizikos pagrindai.

Sprendimas

Tai ciklinis procesas, kuriame vidinis energijos pokytis yra lygus nuliui pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį, todėl Q = W. PV (slėgio ir tūrio) diagramoje ciklinio proceso metu atliktas darbas yra lygiavertis. į kreivės uždengtą plotą. Norint pateikti rezultatus tarptautinėje sistemoje, reikia pakeisti slėgio vienetus, naudojant šį perskaičiavimo koeficientą:

1 atm = 101,325 kPa = 101,325 Pa.

Grafiko uždengtas plotas atitinka trikampio, kurio pagrindas (3 - 1 m ³ ) = 2 m ³ ir kurio aukštis (6 - 2 atm) = 4 atm = 405 300 Pa, plotą.

W _ABCA = ½ (2 m ³ x 405300 Pa) = 405300 J = 405,3 kJ.

3 pratimas

Teigiama, kad viena iš efektyviausių kada nors pastatytų mašinų yra akmens anglimi kūrenta garų turbina prie Ohajo upės, naudojama elektros generatoriui, veikiančiam nuo 1870 iki 430 ° C, maitinti.

Apskaičiuokite: a) maksimalų teorinį efektyvumą, b) mechaninę galią, kurią atiduoda mašina, jei ji kas sekundę iš karšto bako sugeria 1,40 x 10 ⁵ J energijos. Žinoma, kad tikrasis efektyvumas yra 42,0%.

Sprendimas

a) Maksimalus efektyvumas apskaičiuojamas naudojant aukščiau pateiktą lygtį:

Norėdami pakeisti Celsijaus laipsnius į kelvinus, tiesiog pridėkite 273,15 į Celsijaus temperatūrą:

Padauginus iš 100%, gaunamas maksimalus efektyvumo procentas, kuris yra 67,2%.

c) Jei tikrasis efektyvumas yra 42%, didžiausias efektyvumas yra 0,42.

Pateikta mechaninė galia: P = 0,42 x 1,40 x10 ⁵ J / s = 58800 W.

Nuorodos

1. Bauer, W. 2011. Fizika inžinerijai ir mokslams. 1 tomas. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. 7 ^ma leidimas. McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. Skyrius 4. Skysčiai ir termodinamika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
4. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas.
5. López, C. Pirmasis termodinamikos dėsnis. Atgauta iš: culturac Scientifica.com.
6. Serway, R. 2011. Fizikos pagrindai. 9 ^{na „} Cengage“ mokymasis.
7. Sevilijos universitetas. Šiluminės mašinos. Atkurta iš: laplace.us.es