A drugi zakon termodinamike diktira koji uvjeti postoje za toplina pretvoriti u rad u toplinskim strojevima i hladnjacima. Također se bavi definicijom entropija kao fenomen sposoban za mjerenje neorganiziranosti čestica u fizičkim sustavima.
Pročitajte također: Kalorimetrija — grana fizike koja proučava izmjenu topline
Sažetak o drugom zakonu termodinamike
Drugi zakon termodinamike predstavljen je Clausiusovim i Kelvin-Planckovim izjavama.
Clausiusova izjava bavi se protokom topline od toplijeg tijela prema hladnijem tijelu.
Kelvin-Planckova izjava govori o nemogućnosti toplinskih uređaja da svu svoju toplinu pretvore u raditi.
Drugi zakon termodinamike primjenjuje se na toplinske strojeve i hladnjake.
Carnotov ciklus je ciklus najveće učinkovitosti koji se postiže kod toplinskih motora.
Carnotov ciklus ima četiri stupnja, reverzibilnu izotermnu ekspanziju, reverzibilnu adijabatsku ekspanziju, reverzibilnu izotermnu kompresiju i reverzibilnu adijabatsku kompresiju.
Carnotov teorem odnosi se na prinos Carnot strojevi.
Što je drugi zakon termodinamike?
Drugi zakon termodinamike je a zakon koji se bavi ograničenjima koja se javljaju u termodinamičkim procesima. Izrekli su ga fizičari Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) i Max Planck (1858-1947), kao što ćemo vidjeti u nastavku:
Fizičar i matematičar Rudolf Clausius izjavio je da se kondukcijski tok topline odvija od tijela s višom temperaturom prema tijelu s nižom temperaturom. niža temperatura, dakle, nije prirodno da se dogodi inverzni proces, stoga je potrebno izvršiti radove na ovom sustav. Uz to je izjavio:
Nemoguće je provesti proces čiji je jedini učinak prijenos topline s hladnijeg tijela na toplije tijelo.|1|
Matematički fizičar William Thomson, poznat kao Lord Kelvin, zajedno s doprinosima fizičara Maxa Plancka, izjavio je nemogućnost toplinskih uređaja s učinkovitošću od 100 %, budući da će uvijek biti gubitaka topline.
Primjene drugog zakona termodinamike
Drugi zakon termodinamike primjenjuje se na toplinske strojeve i hladnjake.
Drugi zakon termodinamike u strojevima toplinski
Prema Toplinski strojevi sposobni su pretvoriti toplinu u rad. Topli izvor dovodi toplinu u toplinski stroj, koji ga pretvara u rad. Ostatak topline šalje izvoru hladnoće, kao što je prikazano na slici ispod:
Neki primjeri toplinskih strojeva su: parne i kerozinske turbine u mlaznim zrakoplovima, motori s izgaranjem, termonuklearni reaktori.
Drugi zakon termodinamike u hladnjacima
Hladnjaci su strojevi koji Oni rade suprotno od zagrijavanja motora., gdje uklanjaju toplinu iz regije sa temperatura nižu temperaturu i dostaviti ga u područje s višom temperaturom. Kako to nije prirodno, potrebno je da stroj obavlja rad pomoću električne energije, kao što je opisano na slici ispod:
Neki primjeri hladnjaka su hladnjaci i klima uređaji.
Entropija i drugi zakon termodinamike
A drugi zakon termodinamike predlaže postojanje entropije, jedan fizička količina odgovoran za mjerenje stupnja neorganiziranosti čestica u fizičkom sustavu ili stupnja ireverzibilnosti termodinamički procesi uključeni u toplinske strojeve, spontani su, neizbježni, nepovratni i ekspanzivan. Time je jedino moguće promatrati i obuzdati stupanj volatilnosti procesa. Kako se entropija povećava, povećava se i stupanj nereda u sustavu.
A Entropijska nomenklatura grčkog je podrijetla i znači "transformacija"., "promjena", stoga se koristi u Fizički za označavanje slučajnosti i nereda. Entropija se može izračunati pomoću formule:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) je promjena entropije, mjerena u [J/K].
\(∆U\) je promjena unutarnje energije, mjerena u džulima [J].
T je temperatura, mjerena u Kelvinima [K].
Sa statističkog gledišta, entropija se izračunava po formuli:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S je entropija, mjerena u [J/K].
k je Boltzmannova konstanta, vrijedi \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω je broj mogućih mikrostanja za sustav.
Pročitajte također: Procesi širenja topline
Formule drugog zakona termodinamike
Termostrojevi i hladnjaci
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) je toplina vrućeg izvora, mjerena u Joulesima [J].
W je rad toplinskog stroja, mjeren u Joulesima [J].
\(Q_F\) je toplina iz izvora hladnoće, mjerena u džulima [J].
Može se predstaviti:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W je rad toplinskog stroja, mjeren u Joulesima [J].
\(Q_Q\) je toplina vrućeg izvora, mjerena u Joulesima [J].
\(Q_F\) je toplina iz izvora hladnoće, mjerena u džulima [J].
Hladnjaci
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) je učinkovitost hladnjaka.
\(Q_F\) je toplina iz izvora hladnoće, mjerena u džulima [J].
\(Q_Q\) je toplina vrućeg izvora, mjerena u Joulesima [J].
Može se predstaviti kao:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) je učinkovitost hladnjaka.
\(Q_F\) je toplina iz izvora hladnoće, mjerena u džulima [J].
W je rad toplinskog stroja, mjeren u Joulesima [J].
Primjeri primjene formula
Primjer 1: Izračunajte rad toplinskog stroja tijekom ciklusa koji od toplog izvora primi 500 J topline, a hladnom izvoru preda samo 400 J topline.
Za izračun rada toplinskog stroja upotrijebit ćemo formulu:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Zamjena vrijednosti navedenih u izjavi:
\(W=500-400\)
\(W=100\ J\)
Rad toplinske mašine iznosio je 100 džula.
Primjer 2: Koliki je učinak hladnjaka koji od toplog izvora prima 150 J topline, a hladnom izvoru predaje 50 J topline?
Za izračun učinkovitosti hladnjaka upotrijebit ćemo formulu:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Zamjenom vrijednosti danih u izjavi, dobivamo:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Množenje prinosa sa 100%:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Hladnjak ima učinkovitost od 50%.
Carnotov ciklus
Carnotov ciklus bio je razvio znanstvenik Sadi Carnot (1796-1832), s ciljem utvrđivanja maksimalne učinkovitosti koju može postići toplinski motor koji radi između vrućeg i hladnog izvora.
Na temelju svojih studija, Carnot je utvrdio da je, kako bi se postigla maksimalna učinkovitost toplinskog motora, on neophodan da njegov proces bude reverzibilan, pa je razvio ciklus maksimalnog prinosa nazvan ciklus od Carnot, i Toplinski stroj koji djeluje kroz njega naziva se Carnotov toplinski stroj.. Budući da je Carnotov ciklus reverzibilan, može se obrnuti, tako su razvijeni hladnjaci.
Carnotov ciklus, bez obzira na korištenu tvar, sastoji se od četiri procesa opisanih u grafu tlaka prema volumenu (p×V), kao što možemo vidjeti na slici ispod:
1. proces, od točke 1 → 2: postoji reverzibilna izotermna ekspanzija (proces u kojem temperatura ostaje konstantna), u kojoj plin (ili sustav) radi i dobiva određenu količinu topline iz vrućeg izvora.
2. proces, od točke 2 → 3: postoji adijabatsko širenje (proces u kojem dolazi do izmjene topline s vanjskom okolinom) reverzibilno, u kojem nema izmjene topline topline s toplinskim izvorima, ali plin radi i dolazi do smanjenja njegove unutarnje energije, što uzrokuje smanjenje temperatura.
3. proces, od točke 3 → 4: dolazi do reverzibilne izotermne kompresije, u kojoj plin prima rad i predaje količinu topline izvoru hladnoće.
4. proces, od točke 4 → 1: dolazi do reverzibilne adibatske kompresije, pri kojoj nema izmjene topline s toplinskim izvorima i plin se zagrijava dok ne postigne temperaturu vrućeg izvora, i tako se stavi u kontakt s njim, završavajući ciklus.
zakoni termodinamike
Zakoni termodinamike četiri su zakona koji upravljaju cjelokupnim proučavanjem termodinamika, proučavati odnose između volumena, temperature i tlaka i drugih fizikalnih veličina, kao što su toplina i energija.
Nulti zakon termodinamike: je zakon o toplinska ravnoteža, proučava izmjenu topline između tijela koja imaju različite temperature.
prvi zakon termodinamike: je zakon održanja energije u termodinamičkim sustavima, proučava transformaciju topline u rad i/ili unutarnju energiju.
Drugi zakon termodinamike: to je zakon koji se bavi toplinskim strojevima, hladnjacima i entropijom.
Treći zakon termodinamike: je zakon o apsolutna nula, ona proučava učinke ove temperature.
Pročitajte također: Performanse toplinskih motora
Riješene vježbe iz drugog zakona termodinamike
Pitanje 1 Odredite temperaturu vrućeg izvora Carnotovog motora, znajući da je temperatura hladnog izvora 450 K, a njegova učinkovitost 80%.
a) 2250 K
b) 450K
c) 1500K
d) 900K
e) 3640 K
rezolucija:
Alternativa A. Izračunat ćemo temperaturu vrućeg izvora na temelju formule učinkovitosti Carnotovog motora:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
pitanje 2 (Cefet-PR) Drugi princip termodinamike može se izraziti na sljedeći način: “Nemoguće je izgraditi stroj toplinska energija koja djeluje u ciklusima, čiji je jedini učinak oduzimanje topline iz izvora i njezino integralno pretvaranje u raditi". Prošireno, ovo nas načelo navodi na zaključak da:
a) Uvijek je moguće izgraditi toplinske strojeve čija je učinkovitost 100%.
b) svaki toplinski stroj treba samo jedan izvor topline.
c) toplina i rad nisu homogene veličine.
d) svaki toplinski stroj crpi toplinu iz vrućeg izvora i odbija dio te topline hladnom izvoru.
e) samo s hladnim izvorom, koji se uvijek održava na 0 °C, bilo bi moguće da određeni toplinski stroj u potpunosti pretvori toplinu u rad.
rezolucija:
Alternativa D. Ovo načelo nas obavještava da je nemoguće ukloniti svu toplinu iz vrućeg izvora i prenijeti je na hladni izvor.
Bilješka
|1| Osnovni tečaj fizike: Fluidi, Oscilacije i valovi, Toplina (knj. 2).
Autor: Pamella Raphaella Melo
Profesor fizike
Izvor: Brazilska škola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm
