ΕΝΑ δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής υπαγορεύει ποιες προϋποθέσεις υπάρχουν για την θερμότητα να μετατραπεί σε εργασία σε θερμικές μηχανές και ψυγεία. Αντιμετωπίζει επίσης τον ορισμό του εντροπία ως φαινόμενο ικανό να μετρήσει την αποδιοργάνωση των σωματιδίων στα φυσικά συστήματα.
Διαβάστε επίσης: Θερμιδομετρία — ο κλάδος της φυσικής που μελετά την ανταλλαγή θερμότητας
Θέματα αυτού του άρθρου
- 1 - Περίληψη του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής
- 2 - Ποιος είναι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής;
-
3 - Εφαρμογές του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής
- Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής στις θερμικές μηχανές
- Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής στα ψυγεία
- 4 - Εντροπία και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
-
5 - Τύποι του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής
- Θερμικά μηχανήματα και ψυγεία
- Ψυγεία
- Παραδείγματα εφαρμογής τύπων
- 6 - Κύκλος Carnot
- 7 - Νόμοι της θερμοδυναμικής
- 8 - Λυμένες ασκήσεις για τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής
Περίληψη για τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αντιπροσωπεύεται από τις δηλώσεις Clausius και Kelvin-Planck.
Η δήλωση Clausius ασχολείται με τη ροή της θερμότητας από το θερμότερο σώμα προς το ψυχρότερο σώμα.
Η δήλωση Kelvin-Planck αντιμετωπίζει την αδυναμία των θερμικών συσκευών να μετατρέψουν όλη τη θερμότητά τους σε δουλειά.
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής εφαρμόζεται σε θερμικές μηχανές και ψυγεία.
Ο κύκλος Carnot είναι ο κύκλος μέγιστης απόδοσης που επιτυγχάνεται από τις θερμικές μηχανές.
Ο κύκλος Carnot έχει τέσσερα στάδια, μια αναστρέψιμη ισοθερμική διαστολή, μια αναστρέψιμη αδιαβατική διαστολή, μια αναστρέψιμη ισοθερμική συμπίεση και μια αναστρέψιμη αδιαβατική συμπίεση.
Το θεώρημα του Carnot αναφέρεται στην απόδοση του Μηχανές Carnot.
Ποιος είναι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής;
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι α νόμος που αντιμετωπίζει τους περιορισμούς που εμφανίζονται στις θερμοδυναμικές διεργασίες. Εκφωνήθηκε από τους φυσικούς Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) και Max Planck (1858-1947), όπως θα δούμε παρακάτω:
Ο φυσικός και μαθηματικός Rudolf Clausius δήλωσε ότι η ροή αγωγιμότητας της θερμότητας συμβαίνει από το σώμα υψηλότερης θερμοκρασίας στο σώμα χαμηλότερης θερμοκρασίας. χαμηλότερη θερμοκρασία, επομένως, δεν είναι φυσικό να συμβαίνει η αντίστροφη διαδικασία, επομένως, είναι απαραίτητο να πραγματοποιηθούν εργασίες σε αυτό Σύστημα. Με αυτό δήλωσε:
Είναι αδύνατο να πραγματοποιηθεί μια διαδικασία της οποίας το μόνο αποτέλεσμα είναι η μεταφορά θερμότητας από ένα ψυχρότερο σώμα σε ένα θερμότερο σώμα.|1|
Ο μαθηματικός φυσικός William Thomson, γνωστός ως Lord Kelvin, μαζί με τις συνεισφορές του φυσικού Max Planck, δήλωσε την αδυναμία θερμικών συσκευών με απόδοση 100%, καθώς πάντα θα υπάρχει απώλεια θερμότητας.
Μη σταματάς τώρα... Υπάρχουν περισσότερα μετά τη δημοσιότητα ;)
Εφαρμογές του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής εφαρμόζεται σε θερμικές μηχανές και ψυγεία.
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής στις μηχανές θερμικός
Στο Θερμικές μηχανές είναι ικανά να μετατρέπουν τη θερμότητα σε εργασία. Μια καυτή πηγή παρέχει θερμότητα στη θερμική μηχανή, η οποία τη μετατρέπει σε εργασία. Την υπόλοιπη θερμότητα στέλνει στην ψυχρή πηγή, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα:
Μερικά παραδείγματα θερμικών μηχανών είναι: τουρμπίνες ατμού και κηροζίνης σε αεριωθούμενα αεροπλάνα, κινητήρες εσωτερικής καύσης, θερμοπυρηνικοί αντιδραστήρες.
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής στα ψυγεία
Τα ψυγεία είναι μηχανές που Λειτουργούν με τον αντίθετο τρόπο από τη θέρμανση των κινητήρων., όπου αφαιρούν τη θερμότητα από μια περιοχή με θερμοκρασία χαμηλότερη θερμοκρασία και τροφοδοτήστε το σε μια περιοχή με υψηλότερη θερμοκρασία. Καθώς αυτό δεν είναι φυσικό, είναι απαραίτητο το μηχάνημα να εκτελεί εργασίες χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια, όπως περιγράφεται στην παρακάτω εικόνα:
Μερικά παραδείγματα ψυγείων είναι τα ψυγεία και τα κλιματιστικά.
Εντροπία και ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
ΕΝΑ Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής προτείνει την ύπαρξη εντροπίας, ένας φυσική ποσότητα υπεύθυνος για τη μέτρηση του βαθμού αποδιοργάνωσης των σωματιδίων σε ένα φυσικό σύστημα ή του βαθμού μη αναστρέψιμης Οι θερμοδυναμικές διεργασίες που εμπλέκονται στις θερμικές μηχανές, είναι αυθόρμητες, αναπόφευκτες, μη αναστρέψιμες και επεκτατικός. Με αυτό, είναι δυνατό μόνο να παρατηρηθεί και να περιοριστεί ο βαθμός μεταβλητότητας των διεργασιών. Καθώς αυξάνεται η εντροπία, αυξάνεται και ο βαθμός αταξίας στο σύστημα.
ΕΝΑ Η ονοματολογία της εντροπίας είναι ελληνικής προέλευσης και σημαίνει «μεταμόρφωση»., «αλλαγή», χρησιμοποιούνται έτσι στο Φυσικός για να υποδηλώνει τυχαιότητα και διαταραχή. Η εντροπία μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) είναι η μεταβολή της εντροπίας, μετρούμενη σε [J/K].
\(∆U\) είναι η μεταβολή της εσωτερικής ενέργειας, μετρημένη σε Joules [J].
T είναι η θερμοκρασία, μετρημένη σε Kelvin [K].
Από στατιστικής άποψης, η εντροπία υπολογίζεται από τον τύπο:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S είναι η εντροπία, μετρημένη σε [J/K].
k είναι η σταθερά Boltzmann, αξίζει \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω είναι ο αριθμός των πιθανών μικροκαταστάσεων για το σύστημα.
Διαβάστε επίσης: Διαδικασίες διάδοσης θερμότητας
Τύποι του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής
Θερμικά μηχανήματα και ψυγεία
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) είναι η θερμότητα της θερμής πηγής, μετρημένη σε Joules [J].
W είναι το έργο που εκτελεί η θερμική μηχανή, μετρημένο σε Joules [J].
\(Q_F\) είναι η θερμότητα από την ψυχρή πηγή, μετρημένη σε Joules [J].
Μπορεί να αντιπροσωπεύεται από:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W είναι το έργο που εκτελεί η θερμική μηχανή, μετρημένο σε Joules [J].
\(Q_Q\) είναι η θερμότητα της θερμής πηγής, μετρημένη σε Joules [J].
\(Q_F\) είναι η θερμότητα από την ψυχρή πηγή, μετρημένη σε Joules [J].
Ψυγεία
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) είναι η απόδοση του ψυγείου.
\(Q_F\) είναι η θερμότητα από την ψυχρή πηγή, μετρημένη σε Joules [J].
\(Q_Q\) είναι η θερμότητα της θερμής πηγής, μετρημένη σε Joules [J].
Μπορεί να αναπαρασταθεί ως:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) είναι η απόδοση του ψυγείου.
\(Q_F\) είναι η θερμότητα από την ψυχρή πηγή, μετρημένη σε Joules [J].
W είναι το έργο που εκτελεί η θερμική μηχανή, μετρημένο σε Joules [J].
Παραδείγματα εφαρμογής τύπων
Παράδειγμα 1: Υπολογίστε το έργο που κάνει μια θερμική μηχανή κατά τη διάρκεια ενός κύκλου που δέχεται 500 J θερμότητας από τη θερμή πηγή και μεταφέρει μόνο 400 J θερμότητας στην ψυχρή πηγή.
Για να υπολογίσουμε το έργο μιας θερμικής μηχανής, θα χρησιμοποιήσουμε τον τύπο:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Αντικαθιστώντας τις τιμές που υποδεικνύονται στη δήλωση:
\(W=500-400\)
\(W=100\ J\)
Το έργο της θερμικής μηχανής ήταν 100 Joules.
Παράδειγμα 2: Ποια είναι η απόδοση ενός ψυγείου που δέχεται 150 J θερμότητας από τη θερμή πηγή και μεταφέρει 50 J θερμότητας στην ψυχρή πηγή;
Για να υπολογίσουμε την απόδοση ενός ψυγείου, θα χρησιμοποιήσουμε τον τύπο:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Αντικαθιστώντας τις τιμές που δίνονται στη δήλωση, παίρνουμε:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Πολλαπλασιάζοντας την απόδοση κατά 100%:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Το ψυγείο έχει απόδοση 50%.
Κύκλος Carnot
Ο κύκλος Carnot ήταν αναπτύχθηκε από τον επιστήμονα Sadi Carnot (1796-1832), με στόχο τον προσδιορισμό της μέγιστης απόδοσης που μπορεί να επιτευχθεί από μια θερμική μηχανή που λειτουργεί μεταξύ μιας θερμής και μιας ψυχρής πηγής.
Με βάση τις μελέτες του, ο Carnot εντόπισε ότι, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη απόδοση από μια θερμική μηχανή, είναι απαραίτητο για να είναι αναστρέψιμη η διαδικασία του, έτσι ανέπτυξε τον κύκλο μέγιστης απόδοσης που ονομάζεται κύκλος του Carnot, και το Η θερμική μηχανή που λειτουργεί μέσω αυτής ονομάζεται θερμική μηχανή Carnot.. Δεδομένου ότι ο κύκλος Carnot είναι αναστρέψιμος, μπορεί να αντιστραφεί, έτσι αναπτύχθηκαν τα ψυγεία.
Ο κύκλος Carnot, ανεξάρτητα από την ουσία που χρησιμοποιείται, αποτελείται από τέσσερις διαδικασίες που περιγράφονται στο γράφημα της πίεσης κατ' όγκο (p×V), όπως μπορούμε να δούμε στην παρακάτω εικόνα:
1η διαδικασία, από το σημείο 1 → 2: υπάρχει μια αναστρέψιμη ισοθερμική διαστολή (διαδικασία κατά την οποία η θερμοκρασία παραμένει σταθερή), κατά την οποία το αέριο (ή το σύστημα) λειτουργεί και αποκτά μια ποσότητα θερμότητας από τη θερμή πηγή.
2η διαδικασία, από το σημείο 2 → 3: υπάρχει μια αδιαβατική διαστολή (διαδικασία κατά την οποία υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας με το εξωτερικό περιβάλλον) αναστρέψιμη, στην οποία δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας θερμότητα με θερμικές πηγές, αλλά το αέριο λειτουργεί και υπάρχει μείωση της εσωτερικής του ενέργειας, προκαλώντας μείωση της θερμοκρασία.
3η διαδικασία, από το σημείο 3 → 4: εμφανίζεται μια αναστρέψιμη ισοθερμική συμπίεση, κατά την οποία το αέριο δέχεται εργασία και εκχωρεί μια ποσότητα θερμότητας στην ψυχρή πηγή.
4η διαδικασία, από το σημείο 4 → 1: εμφανίζεται μια αναστρέψιμη αδιβατική συμπίεση, στην οποία δεν λαμβάνει χώρα ανταλλαγή θερμότητας με τις θερμικές πηγές και το αέριο είναι θερμαίνεται μέχρι να φτάσει στη θερμοκρασία της καυτής πηγής, και έτσι να τεθεί σε επαφή μαζί της, τερματίζοντας την κύκλος.
νόμοι της θερμοδυναμικής
Οι νόμοι της θερμοδυναμικής είναι τέσσερις νόμοι που διέπουν ολόκληρη τη μελέτη του θερμοδυναμική, μελετήστε τις σχέσεις μεταξύ όγκου, θερμοκρασίας και πίεσης και άλλων φυσικών μεγεθών, όπως θερμότητα και ενέργεια.
Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής: είναι ο νόμος του θερμική ισορροπία, μελετά την ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ σωμάτων που έχουν διαφορετικές θερμοκρασίες.
πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής: είναι ο νόμος διατήρησης της ενέργειας στα θερμοδυναμικά συστήματα, μελετά τη μετατροπή της θερμότητας σε έργο ή/και εσωτερική ενέργεια.
Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής: είναι ο νόμος που ασχολείται με τις θερμικές μηχανές, τα ψυγεία και την εντροπία.
Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής: είναι ο νόμος του απόλυτο μηδενικό, μελετά τις επιπτώσεις αυτής της θερμοκρασίας.
Διαβάστε επίσης: Απόδοση θερμικών μηχανών
Λυμένες ασκήσεις για τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής
ερώτηση 1 Προσδιορίστε τη θερμοκρασία της θερμής πηγής ενός κινητήρα Carnot, γνωρίζοντας ότι η θερμοκρασία της ψυχρής πηγής είναι 450 K και η απόδοσή της είναι 80%.
α) 2250 Κ
β) 450 χιλ
γ) 1500 χιλ
δ) 900 χιλ
ε) 3640 Κ
Ανάλυση:
Εναλλακτική Α. Θα υπολογίσουμε τη θερμοκρασία της θερμής πηγής με βάση τον τύπο απόδοσης ενός κινητήρα Carnot:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
Ερώτηση 2 (Cefet-PR) Η 2η αρχή της θερμοδυναμικής μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: «Είναι αδύνατο να φτιάξεις μια μηχανή θερμική ενέργεια που λειτουργεί σε κύκλους, της οποίας το μόνο αποτέλεσμα είναι να αφαιρεί τη θερμότητα από μια πηγή και να τη μετατρέπει πλήρως σε δουλειά". Κατ' επέκταση, αυτή η αρχή μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι:
α) Είναι πάντα δυνατή η κατασκευή θερμικών μηχανών των οποίων η απόδοση είναι 100%.
β) κάθε θερμική μηχανή χρειάζεται μόνο μία πηγή θερμότητας.
γ) η θερμότητα και η εργασία δεν είναι ομοιογενή μεγέθη.
δ) οποιαδήποτε θερμική μηχανή αντλεί θερμότητα από μια θερμή πηγή και απορρίπτει μέρος αυτής της θερμότητας σε μια ψυχρή πηγή.
ε) Μόνο με μια ψυχρή πηγή, πάντα διατηρημένη στους 0 °C, θα ήταν δυνατό για μια συγκεκριμένη θερμική μηχανή να μετατρέψει τη θερμότητα εξ ολοκλήρου σε εργασία.
Ανάλυση:
Εναλλακτική Δ. Αυτή η αρχή μας πληροφορεί ότι είναι αδύνατο να αφαιρέσουμε όλη τη θερμότητα από την καυτή πηγή και να τη μεταφέρουμε στην ψυχρή πηγή.
Σημείωση
|1| Βασικό μάθημα φυσικής: Ρευστά, ταλαντώσεις και κύματα, θερμότητα (τομ. 2).
Από την Pamella Raphaella Melo
Καθηγητής Φυσικής
Η εντροπία ενός συστήματος δεν είναι τίποτα άλλο από το μέτρο του βαθμού αποδιοργάνωσής του. Είναι δυνατό να διατυπωθεί ο Δεύτερος Νόμος από την έννοια της εντροπίας.
Ανακαλύψτε τη συναρπαστική ιστορία των θερμικών μηχανών και τις κύριες χρήσεις τους.
Ξέρετε τι είναι οι θερμικές μηχανές, οι θερμοδυναμικοί κύκλοι και η απόδοση; Μάθετε περισσότερα για αυτές τις σημαντικές έννοιες της θερμοδυναμικής.
Αποκτήστε πρόσβαση στο κείμενο και μάθετε τον ορισμό του Πρώτου Νόμου της Θερμοδυναμικής, δείτε ποιοι είναι οι τύποι που χρησιμοποιεί αυτός ο νόμος και δείτε λυμένες ασκήσεις για το θέμα.
Ισόθερμος, Ισοογκομετρικός και Αδιαβατικός Μετασχηματισμός. Συνάντησέ τους!
Ξέρετε τι είναι η θερμοδυναμική; Αποκτήστε πρόσβαση στο κείμενο για να μάθετε ποιες είναι οι πιο σημαντικές έννοιες σχετικά με το θέμα, μάθετε για τους νόμους της Θερμοδυναμικής.
