А втори закон на термодинамиката диктува какви условия съществуват за топлина да бъдат превърнати в работа в топлинни машини и хладилници. Той също така разглежда дефиницията на ентропия като феномен, способен да измерва дезорганизацията на частиците във физическите системи.
Прочетете също: Калориметрия - дял от физиката, който изучава топлообмена
Обобщение на втория закон на термодинамиката
Вторият закон на термодинамиката е представен от твърденията на Клаузиус и Келвин-Планк.
Твърдението на Клаузиус се занимава с потока на топлина от по-горещото тяло към по-студеното тяло.
Изявлението на Келвин-Планк се отнася до неспособността на термичните устройства да преобразуват цялата си топлина в работа.
Вторият закон на термодинамиката се прилага за топлинни двигатели и хладилници.
Цикълът на Карно е цикълът с максимална ефективност, получен от топлинните двигатели.
Цикълът на Карно има четири етапа, обратимо изотермично разширение, обратимо адиабатно разширение, обратимо изотермично сгъстяване и обратимо адиабатно сгъстяване.
Теоремата на Карно се отнася до добива на Машини на Карно.
Какъв е вторият закон на термодинамиката?
Вторият закон на термодинамиката е а закон, който разглежда ограниченията, възникващи в термодинамичните процеси. Той е формулиран от физиците Рудолф Клаузиус (1822-1888), лорд Келвин (1824-1907) и Макс Планк (1858-1947), както ще видим по-долу:
Физикът и математикът Рудолф Клаузиус заяви, че проводимият поток на топлина възниква от тялото с по-висока температура към тялото с по-ниска температура. по-ниска температура, следователно не е естествено да се случи обратният процес, следователно е необходимо да се извърши работа по това система. С това той заяви:
Невъзможно е да се извърши процес, чийто единствен ефект е пренос на топлина от по-студено тяло към по-горещо тяло.|1|
Математическият физик Уилям Томсън, известен като лорд Келвин, заедно с приноса на физика Макс Планк, заяви невъзможността термичните устройства да имат ефективност от 100%, тъй като винаги ще има загуба на топлина.
Приложения на втория закон на термодинамиката
Вторият закон на термодинамиката се прилага за топлинни двигатели и хладилници.
Втори закон на термодинамиката на машините топлинна
Към Термични машини са в състояние да преобразуват топлината в работа. Горещ източник доставя топлина на топлинния двигател, който го превръща в работа. Останалата част от топлината изпраща към източника на студ, както е показано на изображението по-долу:
Някои примери за топлинни машини са: парни и керосинови турбини в реактивни самолети, двигатели с вътрешно горене, термоядрени реактори.
Втори закон на термодинамиката в хладилниците
Хладилниците са машини, които Те работят по обратния начин на загряване на двигатели., където отнемат топлина от регион с температура по-ниска температура и го доставя в регион с по-висока температура. Тъй като това не е естествено, е необходимо машината да извършва работа, използвайки електрическа енергия, както е описано на изображението по-долу:
Някои примери за хладилници са хладилници и климатици.
Ентропия и втори закон на термодинамиката
А вторият закон на термодинамиката предполага съществуването на ентропия, един физическо количество отговорен за измерване на степента на дезорганизация на частиците във физическа система или степента на необратимост на термодинамичните процеси, участващи в топлинните двигатели, са спонтанни, неизбежни, необратими и експанзивен. С това е възможно само да се наблюдава и ограничава степента на променливост на процесите. С увеличаването на ентропията се увеличава и степента на безпорядък в системата.
А Ентропийната номенклатура е от гръцки произход и означава „трансформация“., „промяна“, като по този начин се използва в Физически за обозначаване на случайност и безредие. Ентропията може да се изчисли по формулата:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) е промяната на ентропията, измерена в [J/K].
\(∆U\) е промяната във вътрешната енергия, измерена в джаули [J].
T е температурата, измерена в Келвин [K].
От статистическа гледна точка ентропията се изчислява по формулата:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S е ентропията, измерена в [J/K].
k е константата на Болцман, струва си \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω е броят на възможните микросъстояния за системата.
Прочетете също: Процеси на разпространение на топлина
Формули на втория закон на термодинамиката
Термични машини и хладилници
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) е топлината на горещия източник, измерена в джаули [J].
W е работата, извършена от топлинния двигател, измерена в джаули [J].
\(Q_F\) е топлината от източника на студ, измерена в джаули [J].
Тя може да бъде представена от:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W е работата, извършена от топлинния двигател, измерена в джаули [J].
\(Q_Q\) е топлината на горещия източник, измерена в джаули [J].
\(Q_F\) е топлината от източника на студ, измерена в джаули [J].
Хладилници
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) е ефективността на хладилника.
\(Q_F\) е топлината от източника на студ, измерена в джаули [J].
\(Q_Q\) е топлината на горещия източник, измерена в джаули [J].
Може да се представи като:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) е ефективността на хладилника.
\(Q_F\) е топлината от източника на студ, измерена в джаули [J].
W е работата, извършена от топлинния двигател, измерена в джаули [J].
Примери прилагане на формули
Пример 1: Изчислете работата, която извършва топлинен двигател по време на цикъл, който получава 500 J топлина от горещия източник и предава само 400 J топлина към студения източник.
За да изчислим работата на топлинен двигател, ще използваме формулата:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Заместване на стойностите, посочени в изявлението:
\(W=500-400\)
\(W=100\ J\)
Работата на топлинния двигател беше 100 джаула.
Пример 2: Каква е ефективността на хладилник, който получава 150 J топлина от горещия източник и предава 50 J топлина на студения източник?
За да изчислим ефективността на хладилника, ще използваме формулата:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Замествайки стойностите, дадени в изявлението, получаваме:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Умножаване на добива по 100%:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Хладилникът е с КПД 50%.
Цикъл на Карно
Цикълът на Карно беше разработен от учения Сади Карно (1796-1832), с цел идентифициране на максималната ефективност, която може да бъде достигната от термичен двигател, който работи между горещ източник и студен източник.
Въз основа на своите проучвания Карно установи, че за да се получи максимална ефективност от топлинен двигател, той е необходимо, за да бъде неговият процес обратим, така че той разработи цикъл на максимален добив, наречен цикъл на Карно и Топлинният двигател, който работи чрез него, се нарича топлинен двигател на Карно.. Тъй като цикълът на Карно е обратим, той може да бъде обърнат, така са разработени хладилниците.
Цикълът на Карно, независимо от използваното вещество, се състои от четири процеса, описани в графиката на налягане спрямо обем (p×V), както можем да видим на изображението по-долу:
1-ви процес, от точка 1 → 2: има обратимо изотермично разширение (процес, при който температурата остава постоянна), при което газът (или системата) извършва работа и придобива количество топлина от горещия източник.
2-ри процес, от точка 2 → 3: има адиабатно разширение (процес, при който има топлообмен с външната среда) обратимо, при което няма топлообмен топлина с топлинни източници, но газът работи и има намаляване на вътрешната му енергия, което води до намаляване на температура.
3-ти процес, от точка 3 → 4: настъпва обратима изотермична компресия, при която газът получава работа и отдава известно количество топлина на източника на студ.
4-ти процес, от точка 4 → 1: настъпва обратима адибатична компресия, при която не се извършва топлообмен с топлинните източници и газът се нагрява, докато достигне температурата на горещия източник и по този начин се поставя в контакт с него, завършвайки цикъл.
закони на термодинамиката
Законите на термодинамиката са четири закона, които управляват цялото изследване на термодинамика, изучават връзките между обем, температура и налягане и други физически величини, като топлина и енергия.
Нулев закон на термодинамиката: е законът на термичен баланс, той изучава обмена на топлина между тела с различна температура.
първи закон на термодинамиката: е законът за запазване на енергията в термодинамичните системи, той изучава превръщането на топлината в работа и/или вътрешна енергия.
Втори закон на термодинамиката: това е законът, който се занимава с топлинни двигатели, хладилници и ентропия.
Трети закон на термодинамиката: е законът на абсолютна нула, тя изучава ефектите от тази температура.
Прочетете също: Ефективност на топлинните двигатели
Решени упражнения по втори закон на термодинамиката
Въпрос 1 Определете температурата на горещия източник на двигател на Карно, като знаете, че температурата на студения източник е 450 K и неговата ефективност е 80%.
а) 2250 K
б) 450K
в) 1500K
г) 900K
д) 3640 K
Резолюция:
Алтернатива А. Ще изчислим температурата на горещия източник въз основа на формулата за ефективност на двигател на Карно:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
въпрос 2 (Cefet-PR) Вторият принцип на термодинамиката може да бъде формулиран по следния начин: „Невъзможно е да се изгради машина топлинна енергия, работеща в цикли, чийто единствен ефект е да отнеме топлината от източник и да я преобразува интегрално в работа". Като разширение този принцип ни кара да заключим, че:
а) Винаги е възможно да се изградят топлинни машини, чиято ефективност е 100%.
б) всеки топлинен двигател се нуждае само от един източник на топлина.
в) топлината и работата не са еднородни величини.
г) всеки топлинен двигател извлича топлина от горещ източник и отхвърля част от тази топлина към студен източник.
д) само с източник на студ, винаги поддържан при 0 °C, би било възможно определен топлинен двигател да преобразува топлината изцяло в работа.
Резолюция:
Алтернатива Г. Този принцип ни информира, че е невъзможно да се отнеме цялата топлина от горещия източник и да се прехвърли към студения източник.
Забележка
|1| Основен курс по физика: Течности, Трептения и вълни, Топлина (том. 2).
От Памела Рафаела Мело
Учител по физика
източник: Бразилско училище - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm
