أ القانون الثاني للديناميكا الحرارية تملي الشروط الموجودة ل حرارة يمكن تحويلها إلى عمل في المحركات الحرارية والثلاجات. كما يتناول تعريف إنتروبيا كظاهرة قادرة على قياس اختلال الجسيمات في الأنظمة الفيزيائية.
اقرأ أيضا: Calorimetry - فرع الفيزياء الذي يدرس التبادل الحراري
ملخص عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يمثل القانون الثاني للديناميكا الحرارية عبارات كلاوزيوس وكلفن بلانك.
يتعامل بيان Clausius مع تدفق الحرارة من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأكثر برودة.
يعالج بيان Kelvin-Planck عدم قدرة الأجهزة الحرارية على تحويل كل حرارتها إلى عمل.
يطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على المحركات الحرارية والثلاجات.
دورة كارنو هي دورة الكفاءة القصوى التي تحصل عليها المحركات الحرارية.
تتكون دورة كارنو من أربع مراحل ، تمدد متساوي الحرارة قابل للانعكاس ، تمدد ثابت ثابت قابل للانعكاس ، ضغط متساوي الحرارة قابل للانعكاس وضغط ثابت ثابت.
تشير نظرية كارنو إلى ناتج ماكينات كارنو.
ما هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟
القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو أ القانون الذي يعالج القيود التي تحدث في العمليات الديناميكية الحرارية
. أعلن عنها الفيزيائيون رودولف كلاوزيوس (1822-1888) ، اللورد كيلفن (1824-1907) وماكس بلانك (1858-1947) ، كما سنرى أدناه:ذكر الفيزيائي والرياضي رودولف كلاوسيوس أن تدفق التوصيل للحرارة يحدث من درجة حرارة الجسم الأعلى إلى الجسم ذي درجة الحرارة المنخفضة. درجة حرارة منخفضة ، لذلك ليس من الطبيعي أن تحدث العملية العكسية ، لذلك من الضروري القيام بعمل على هذا نظام. وبهذا قال:
من المستحيل إجراء عملية يكون تأثيرها الوحيد هو نقل الحرارة من جسم أكثر برودة إلى جسم أكثر سخونة.|1|
عالم الفيزياء الرياضية ويليام طومسون ، المعروف بلورد كلفن ، جنبًا إلى جنب مع مساهمات الفيزيائي ماكس بلانك ، ذكر استحالة وجود أجهزة حرارية بكفاءة 100٪، حيث سيكون هناك دائمًا فقدان للحرارة.
تطبيقات القانون الثاني للديناميكا الحرارية
يطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على المحركات الحرارية والثلاجات.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية في الآلات حراري
الى الآلات الحرارية قادرون على تحويل الحرارة إلى عمل. مصدر ساخن يمد المحرك الحراري بالحرارة ، مما يحوله إلى عمل. ما تبقى من الحرارة التي يرسلها إلى مصدر البرودة كما هو موضح في الصورة أدناه:
بعض الأمثلة على الآلات الحرارية هي: توربينات البخار والكيروسين في الطائرات النفاثة ، ومحركات الاحتراق ، والمفاعلات النووية الحرارية.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية في الثلاجات
الثلاجات هي الآلات التي يعملون في الاتجاه المعاكس لتسخين المحركات.، حيث يزيلون الحرارة من منطقة بها درجة حرارة انخفاض درجة الحرارة وتزويدها بمنطقة ذات درجة حرارة أعلى. وبما أن هذا ليس طبيعياً ، فمن الضروري أن تقوم الآلة بالعمل باستخدام الطاقة الكهربائية ، كما هو موضح في الصورة أدناه:
بعض الأمثلة على الثلاجات هي الثلاجات ومكيفات الهواء.
الانتروبيا والقانون الثاني للديناميكا الحرارية
أ يقترح القانون الثاني للديناميكا الحرارية وجود الانتروبيا، واحد الكمية المادية مسؤولة عن قياس درجة عدم تنظيم الجسيمات في نظام فيزيائي أو درجة عدم رجوعها العمليات الديناميكية الحرارية المتضمنة في المحركات الحرارية ، كونها تلقائية ، حتمية ، لا رجعة فيها و توسعية. مع هذا ، من الممكن فقط مراقبة واحتواء درجة تقلب العمليات. مع زيادة الانتروبيا ، تزداد أيضًا درجة الاضطراب في النظام.
أ تسمية الانتروبيا من أصل يوناني وتعني "التحول".، "التغيير" ، وبالتالي يتم استخدامها في بدني للإشارة إلى العشوائية والفوضى. يمكن حساب الانتروبيا باستخدام الصيغة:
\ (∆S = \ فارك {∆U} T \)
\ (∆S \) هو التغير في الانتروبيا ، ويقاس بـ [J / K].
\ (∆U \) هو التغير في الطاقة الداخلية ، مُقاسًا بالجول [J].
T هي درجة الحرارة المقاسة بالكلفن [K].
من وجهة نظر إحصائية ، يتم حساب الانتروبيا بالصيغة:
\ (S = ك \ cdot ln \ \)
S هو الانتروبيا ، يقاس بـ [J / K].
k هو ثابت بولتزمان ، إنه يستحق \ (1،4 \ cdot 10 ^ {- 23} \ J / K \).
Ω هو عدد الدول الصغيرة الممكنة للنظام.
اقرأ أيضا: عمليات انتشار الحرارة
صيغ القانون الثاني للديناميكا الحرارية
ماكينات وثلاجات حرارية
\ (Q_Q = W + Q_F \)
\ (Q_Q \) هي حرارة المصدر الساخن ، تقاس بالجول [J].
W هو الشغل الذي يقوم به المحرك الحراري ، ويقاس بالجول [J].
\ (Q_F \) هي الحرارة من مصدر البرودة ، مقاسة بالجول [J].
يمكن تمثيلها من خلال:
\ (W = Q_Q-Q_F \)
W هو الشغل الذي يقوم به المحرك الحراري ، ويقاس بالجول [J].
\ (Q_Q \) هي حرارة المصدر الساخن ، تقاس بالجول [J].
\ (Q_F \) هي الحرارة من مصدر البرودة ، مقاسة بالجول [J].
ثلاجات
\ (η = \ فارك {Q_F} {Q_Q-Q_F} \)
\(η\) هي كفاءة الثلاجة.
\ (Q_F \) هي الحرارة من مصدر البرودة ، مقاسة بالجول [J].
\ (Q_Q \) هي حرارة المصدر الساخن ، تقاس بالجول [J].
يمكن تمثيلها على النحو التالي:
\ (η = \ فارك {Q_F} ث \)
\(η\) هي كفاءة الثلاجة.
\ (Q_F \) هي الحرارة من مصدر البرودة ، مقاسة بالجول [J].
W هو الشغل الذي يقوم به المحرك الحراري ، ويقاس بالجول [J].
أمثلة تطبيق الصيغ
مثال 1: احسب الشغل الذي يقوم به المحرك الحراري خلال دورة تستقبل 500 J من الحرارة من المصدر الساخن وتنقل 400 J فقط من الحرارة إلى المصدر البارد.
لحساب عمل المحرك الحراري ، سنستخدم الصيغة:
\ (W = Q_Q-Q_F \)
استبدال القيم المشار إليها في البيان:
\ (ث = 500-400 \)
\ (ث = 100 \ ي \)
كان عمل المحرك الحراري 100 جول.
المثال 2: ما هي كفاءة الثلاجة التي تستقبل 150 J من الحرارة من المصدر الساخن وتنقل 50 J من الحرارة إلى المصدر البارد؟
لحساب كفاءة الثلاجة ، سنستخدم الصيغة:
\ (η = \ فارك {Q_F} {Q_Q-Q_F} \)
باستبدال القيم الواردة في البيان ، نحصل على:
\ (η = \ فارك {50} {150-50} \)
\ (η = \ فارك {50} {100} \)
\(η=0,5\)
ضرب الناتج بنسبة 100٪:
\ (η = 0.5 \ cdot100٪ \)
\(η=50\%\)
الثلاجة ذات كفاءة 50٪.
دورة كارنو
كانت دورة كارنو طوره العالم سعدي كارنو (1796-1832)بهدف تحديد الكفاءة القصوى التي يمكن أن يصل إليها محرك حراري يعمل بين مصدر ساخن ومصدر بارد.
بناءً على دراساته ، حدد كارنو أنه من أجل الحصول على أقصى قدر من الكفاءة من محرك حراري ، فهو كذلك من الضروري أن تكون عمليته قابلة للعكس ، لذلك طور دورة العائد القصوى التي تسمى دورة كارنو و المحرك الحراري الذي يعمل من خلاله يسمى محرك كارنو الحراري.. نظرًا لأن دورة Carnot قابلة للعكس ، يمكن عكسها ، وهي الطريقة التي تم بها تطوير الثلاجات.
تتكون دورة كارنو ، بغض النظر عن المادة المستخدمة ، من أربع عمليات موصوفة في الرسم البياني للضغط بالحجم (p × V) ، كما نرى في الصورة أدناه:
العملية الأولى ، من النقطة 1 → 2: هناك تمدد متساوي الحرارة قابل للانعكاس (عملية تظل فيها درجة الحرارة ثابتة) ، حيث يعمل الغاز (أو النظام) ويكتسب كمية من الحرارة من المصدر الساخن.
العملية الثانية ، من النقطة 2 → 3: هناك تمدد ثابت الحرارة (عملية يوجد فيها تبادل حراري مع البيئة الخارجية) قابل للانعكاس ، حيث لا يوجد تبادل للحرارة الحرارة بمصادر حرارية ، لكن الغاز يعمل ويحدث انخفاض في طاقته الداخلية ، مما يؤدي إلى انخفاض في درجة حرارة.
العملية الثالثة ، من النقطة 3 → 4: يحدث انضغاط متساوي الحرارة قابل للانعكاس ، حيث يتلقى الغاز الشغل ويتخلى عن قدر من الحرارة إلى مصدر البرودة.
العملية الرابعة ، من النقطة 4 → 1: يحدث انضغاط adibatic قابل للانعكاس ، حيث لا يحدث تبادل حراري مع المصادر الحرارية ويكون الغاز يسخن حتى يصل إلى درجة حرارة المصدر الساخن ، وبالتالي يتم ملامسته له ، وينتهي دورة.
قوانين الديناميكا الحرارية
قوانين الديناميكا الحرارية هي أربعة قوانين تحكم الدراسة بأكملها الديناميكا الحرارية، ودراسة العلاقات بين الحجم ودرجة الحرارة والضغط والكميات الفيزيائية الأخرى ، مثل الحرارة والطاقة.
القانون الصفري للديناميكا الحرارية: هو قانون التوازن الحراري، فهو يدرس تبادل الحرارة بين الأجسام ذات درجات الحرارة المختلفة.
القانون الأول للديناميكا الحرارية: هو قانون الحفاظ على الطاقة في الأنظمة الديناميكية الحرارية ، فهو يدرس تحويل الحرارة إلى عمل و / أو طاقة داخلية.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية: إنه القانون الذي يتعامل مع المحركات الحرارية والثلاجات والإنتروبيا.
القانون الثالث للديناميكا الحرارية: هو قانون الصفر المطلق، تدرس تأثيرات درجة الحرارة هذه.
اقرأ أيضا: أداء المحركات الحرارية
تمارين حلها على القانون الثاني للديناميكا الحرارية
السؤال رقم 1 تحديد درجة حرارة المصدر الساخن لمحرك كارنو مع العلم أن درجة حرارة المصدر البارد 450 كلفن وكفاءته 80٪.
أ) 2250 ك
ب) 450 ألف
ج) 1500 ك
د) 900 ألف
هـ) 3640 ك
دقة:
البديل أ. سنحسب درجة حرارة المصدر الساخن بناءً على معادلة الكفاءة لمحرك كارنو:
\ (η = 1- \ فارك {T_F} {T_Q} \)
\ (80 \٪ = 1- \ فارك {450} {T_Q} \)
\ (\ frac {80} {100} = 1- \ frac {450} {T_Q} \)
\ (0،8 = 1- \ فارك {450} {T_Q} \)
\ (0،8-1 = - \ فارك {450} {T_Q} \)
\ (- 0،2 = - \ فارك {450} {T_Q} \)
\ (0،2 = \ فارك {450} {T_Q} \)
\ (T_Q = \ فارك {450} {0،2} \)
\ (T_Q = 2250 \ K \)
السؤال 2 (Cefet-PR) يمكن تحديد المبدأ الثاني للديناميكا الحرارية على النحو التالي: "من المستحيل بناء آلة تعمل الطاقة الحرارية في دورات ، ويكون تأثيرها الوحيد هو إزالة الحرارة من المصدر وتحويلها بشكل متكامل عمل". بالتبعية ، يقودنا هذا المبدأ إلى استنتاج ما يلي:
أ) من الممكن دائمًا بناء آلات حرارية تكون فعاليتها 100٪.
ب) يحتاج أي محرك حراري إلى مصدر حرارة واحد فقط.
ج) الحرارة والعمل ليسا كميات متجانسة.
د) يسحب أي محرك حراري الحرارة من مصدر ساخن ويرفض جزءًا من تلك الحرارة إلى مصدر بارد.
ه) فقط مع مصدر بارد ، يتم صيانته دائمًا عند 0 درجة مئوية ، هل يمكن لمحرك حراري معين تحويل الحرارة بالكامل إلى عمل.
دقة:
البديل د. يخبرنا هذا المبدأ أنه من المستحيل إزالة كل الحرارة من المصدر الساخن ونقلها إلى المصدر البارد.
ملحوظة
|1| مقرر الفيزياء الأساسية: السوائل ، التذبذبات والأمواج ، الحرارة (المجلد. 2).
بقلم باميلا رافايلا ميلو
مدرس الفيزياء
مصدر: مدرسة البرازيل - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm
