A termodinamika második főtétele megszabja, hogy milyen feltételek vonatkoznak rá hőség hőgépekben és hűtőgépekben történő munkává alakítható. Kitér a definíciójára is entrópia mint a fizikai rendszerekben lévő részecskék szervezetlenségét mérni képes jelenség.
Olvasd el te is: Kalorimetria - a fizika ága, amely a hőcserét vizsgálja
A termodinamika második főtételének összefoglalása
A termodinamika második főtételét a Clausius és a Kelvin-Planck állítások képviselik.
A Clausius-állítás a melegebb testtől a hidegebb test felé áramló hővel foglalkozik.
A Kelvin-Planck kijelentés azzal foglalkozik, hogy a termikus eszközök nem képesek teljes hőjüket hővé alakítani munka.
A termodinamika második főtétele a hőgépekre és hűtőgépekre vonatkozik.
A Carnot-ciklus a hőmotorok maximális hatékonysági ciklusa.
A Carnot-ciklus négy szakaszból áll, egy reverzibilis izoterm expanzió, egy reverzibilis adiabatikus tágulás, egy reverzibilis izoterm kompresszió és egy reverzibilis adiabatikus tömörítés.
Carnot tétele a hozamra vonatkozik Carnot gépek.
Mi a termodinamika második főtétele?
A termodinamika második főtétele a törvény, amely a termodinamikai folyamatokban fellépő korlátokkal foglalkozik. Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) és Max Planck (1858-1947) fizikusok fogalmazták meg, amint azt alább látni fogjuk:
Rudolf Clausius fizikus és matematikus kijelentette, hogy a hővezetés a magasabb hőmérsékletű testből az alacsonyabb hőmérsékletű testbe történik. alacsonyabb hőmérséklet, ezért nem természetes az inverz folyamat, ezért ezen kell dolgozni rendszer. Ezzel kijelentette:
Lehetetlen olyan folyamatot végrehajtani, amelynek egyetlen hatása az, hogy egy hidegebb testről egy melegebbre hőt adnak át.|1|
William Thomson matematikus fizikus, Lord Kelvin, Max Planck fizikus közreműködésével, kijelentette a 100%-os hatásfokú termikus eszközök lehetetlenségét, hiszen mindig lesz hőveszteség.
A termodinamika második főtételének alkalmazásai
A termodinamika második főtétele a hőgépekre és hűtőgépekre vonatkozik.
A termodinamika második főtétele a gépekben termikus
Hoz Hőgépek képesek a hőt munkává alakítani. Egy forró forrás hővel látja el a hőmotort, ami azt munkává alakítja. A többi hőt a hideg forrásba küldi, ahogy az az alábbi képen látható:
Néhány példa a termikus gépekre: gőz- és kerozinturbinák sugárhajtású repülőgépekben, belsőégésű motorok, termonukleáris reaktorok.
A termodinamika második főtétele hűtőszekrényekben
A hűtőszekrények olyan gépek, amelyek A motorok fűtésével ellentétes módon működnek., ahol hőt vonnak el egy olyan régióból, ahol hőfok alacsonyabb hőmérsékleten, és egy magasabb hőmérsékletű régióba szállítsa. Mivel ez nem természetes, szükséges, hogy a gép elektromos energiával végezzen munkát az alábbi képen látható módon:
Néhány példa a hűtőszekrényekre a hűtőszekrények és a légkondicionálók.
Az entrópia és a termodinamika második főtétele
A A termodinamika második főtétele az entrópia létezését javasolja, egy fizikai mennyiség felelős a részecskék szervezetlenségének mértékének méréséért egy fizikai rendszerben vagy a visszafordíthatatlanság mértékéért. A hőmotorokban részt vevő termodinamikai folyamatok spontán, elkerülhetetlen, visszafordíthatatlan és kiterjedt. Ezzel csak a folyamatok volatilitásának mértékét lehet megfigyelni és visszatartani. Az entrópia növekedésével a rendszer rendezetlensége is növekszik.
A Az entrópia nómenklatúra görög eredetű, és „transzformációt” jelent., „változtatás”, így használatos a Fizikai véletlenszerűség és rendezetlenség jelzésére. Az entrópia a következő képlettel számítható ki:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) az entrópiaváltozás [J/K]-ban mérve.
\(∆U\) a belső energia változása, Joule-ban [J] mérve.
T a hőmérséklet, Kelvinben [K] mérve.
Statisztikai szempontból az entrópiát a következő képlettel számítjuk ki:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S az entrópia, [J/K]-ban mérve.
k a Boltzmann állandó, érdemes \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω a rendszer lehetséges mikroállapotainak száma.
Olvasd el te is: Hőterjedési folyamatok
A termodinamika második főtételének képletei
Hőgépek és hűtők
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) a forró forrás hője, Joule-ban [J] mérve.
W a hőmotor által végzett munka, Joule-ban [J] mérve.
\(Q_F\) a hideg forrásból származó hő, Joule-ban [J] mérve.
Képviselheti:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W a hőmotor által végzett munka, Joule-ban [J] mérve.
\(Q_Q\) a forró forrás hője, Joule-ban [J] mérve.
\(Q_F\) a hideg forrásból származó hő, Joule-ban [J] mérve.
Hűtőszekrények
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) a hűtőszekrény hatékonysága.
\(Q_F\) a hideg forrásból származó hő, Joule-ban [J] mérve.
\(Q_Q\) a forró forrás hője, Joule-ban [J] mérve.
A következőképpen ábrázolható:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) a hűtőszekrény hatékonysága.
\(Q_F\) a hideg forrásból származó hő, Joule-ban [J] mérve.
W a hőmotor által végzett munka, Joule-ban [J] mérve.
Példák képletek alkalmazása
1. példa: Számítsa ki, hogy egy hőmotor milyen munkát végez egy olyan ciklus során, amely 500 J hőt kap a meleg forrástól, és csak 400 J hőt ad át a hideg forrásnak.
A hőmotor munkájának kiszámításához a következő képletet használjuk:
\(W=Q_Q-Q_F\)
A nyilatkozatban feltüntetett értékek behelyettesítése:
\(W=500-400\)
\(W=100\J\)
A hőgép munkája 100 Joule volt.
2. példa: Mekkora a hatásfoka egy hűtőszekrénynek, amely 150 J hőt vesz fel a meleg forrásból és 50 J hőt ad át a hideg forrásnak?
A hűtőszekrény hatékonyságának kiszámításához a következő képletet használjuk:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Az állításban megadott értékeket behelyettesítve a következőket kapjuk:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
A hozamot 100%-kal megszorozva:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
A hűtőszekrény 50%-os hatásfokkal rendelkezik.
Carnot ciklus
A Carnot-ciklus volt Sadi Carnot tudós (1796-1832) fejlesztette ki, azzal a céllal, hogy azonosítsa a hőforrás és a hideg forrás között működő hőmotor által elérhető maximális hatékonyságot.
Tanulmányai alapján Carnot megállapította, hogy a hőmotor maximális hatásfokának eléréséhez az szükséges ahhoz, hogy folyamata visszafordítható legyen, ezért kidolgozta a ciklusnak nevezett maximális hozamciklust Carnot, és a A rajta keresztül működő hőmotort Carnot hőmotornak nevezik.. Mivel a Carnot-ciklus megfordítható, megfordítható, így fejlesztették ki a hűtőszekrényeket.
A Carnot-ciklus, függetlenül a felhasznált anyagtól, négy folyamatból áll, amelyeket a nyomás/térfogat (p×V) grafikonja ír le, amint azt az alábbi képen láthatjuk:
1. folyamat, az 1. → 2. ponttól: van egy reverzibilis izoterm expanzió (folyamat, amelyben a hőmérséklet állandó marad), amelyben a gáz (vagy rendszer) működik, és hőt vesz fel a forró forrásból.
2. folyamat, a 2. → 3. ponttól: van egy adiabatikus tágulás (folyamat, amelyben hőcsere zajlik a külső környezettel) reverzibilis, amelyben nincs hőcsere hőforrásokkal fűt, de a gáz működik, és csökken a belső energiája, ami csökkenti a hőfok.
3. folyamat, a 3. → 4. ponttól: reverzibilis izoterm kompresszió lép fel, mely során a gáz munkát kap és hőmennyiséget ad át a hidegforrásnak.
4. folyamat, a 4. ponttól → 1: reverzibilis adibatikus kompresszió lép fel, amelyben nem történik hőcsere a hőforrásokkal és a gáz melegítjük, amíg el nem éri a forró forrás hőmérsékletét, és így érintkezésbe kerül vele, véget vetve a ciklus.
termodinamika törvényei
A termodinamika törvényei négy olyan törvény, amelyek a teljes tanulmányozást szabályozzák termodinamika, tanulmányozza a térfogat, a hőmérséklet és a nyomás, valamint más fizikai mennyiségek, például hő és energia közötti összefüggéseket.
A termodinamika nulladik törvénye: törvénye termikus egyensúly, a különböző hőmérsékletű testek közötti hőcserét vizsgálja.
termodinamika első főtétele: a termodinamikai rendszerek energiamaradásának törvénye, a hő munkává és/vagy belső energiává történő átalakulását vizsgálja.
A termodinamika második főtétele: ez a törvény a hőgépekkel, hűtőgépekkel és az entrópiával foglalkozik.
A termodinamika harmadik főtétele: törvénye abszolút nulla, ennek a hőmérsékletnek a hatásait tanulmányozza.
Olvass te is: A hőmotorok teljesítménye
Feladatokat oldott meg a termodinamika második főtételére vonatkozóan
1. kérdés Határozza meg a Carnot-motor forró forrásának hőmérsékletét, tudva, hogy a hideg forrás hőmérséklete 450 K, hatásfoka pedig 80%.
a) 2250 K
b) 450 ezer
c) 1500K
d) 900K
e) 3640 K
Felbontás:
Alternatíva A. A forró forrás hőmérsékletét a Carnot motor hatásfoka alapján számítjuk ki:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
2. kérdés (Cefet-PR) A termodinamika 2. alapelve a következőképpen fogalmazható meg: „Lehetetlen gépet építeni ciklusokban működő hőenergia, amelynek egyetlen hatása az, hogy a hőt eltávolítja a forrásból és integráltan alakítja át munka". Ez az elv kiterjesztve arra enged következtetni, hogy:
a) Mindig lehet olyan termikus gépeket építeni, amelyek hatásfoka 100%.
b) minden hőmotornak csak egy hőforrásra van szüksége.
c) a hő és a munka nem homogén mennyiség.
d) bármely hőmotor hőt vesz fel egy forró forrásból, és ennek egy részét visszautasítja a hideg forrásnak.
e) csak hideg forrással, mindig 0 °C-on tartva, lehetséges-e egy bizonyos hőmotor a hőt teljes egészében munkává alakítani.
Felbontás:
Alternatíva D. Ez az elv arról tájékoztat bennünket, hogy lehetetlen az összes hőt eltávolítani a forró forrásból és átadni a hideg forrásnak.
jegyzet
|1| Fizikai alaptanfolyam: Folyadékok, oszcillációk és hullámok, hő (vol. 2).
Írta: Pamella Raphaella Melo
Fizika tanár
Forrás: Brazil iskola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm
