EN termodynamikkens andre lov dikterer hvilke betingelser som finnes for varme gjøres om til arbeid i varmemotorer og kjøleskap. Den tar også for seg definisjonen av entropi som et fenomen som er i stand til å måle desorganiseringen av partikler i fysiske systemer.
Les også: Kalorimetri - grenen av fysikk som studerer varmeveksling
Sammendrag om termodynamikkens andre lov
Termodynamikkens andre lov er representert av Clausius- og Kelvin-Planck-utsagnene.
Clausius-utsagnet omhandler varmestrømmen fra den varmere kroppen til den kaldere kroppen.
Kelvin-Planck-uttalelsen tar for seg termiske enheters manglende evne til å konvertere all varmen til arbeid.
Termodynamikkens andre lov brukes på varmemotorer og kjøleskap.
Carnot-syklusen er den maksimale effektivitetssyklusen oppnådd av varmemotorer.
Carnot-syklusen har fire trinn, en reversibel isotermisk ekspansjon, en reversibel adiabatisk ekspansjon, en reversibel isotermisk kompresjon og en reversibel adiabatisk kompresjon.
Carnots teorem refererer til utbyttet av Carnot-maskiner.
Hva er termodynamikkens andre lov?
Termodynamikkens andre lov er en lov som tar for seg begrensningene som oppstår i termodynamiske prosesser. Det ble forkynt av fysikerne Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) og Max Planck (1858-1947), som vi vil se nedenfor:
Fysikeren og matematikeren Rudolf Clausius uttalte at ledningsstrømmen av varme skjer fra kroppen med høyere temperatur til kroppen med lavere temperatur. lavere temperatur, derfor er det ikke naturlig at den omvendte prosessen oppstår, derfor er det nødvendig å utføre arbeid på dette system. Med det uttalte han:
Det er umulig å gjennomføre en prosess hvis eneste effekt er å overføre varme fra en kaldere kropp til en varmere kropp.|1|
Den matematiske fysikeren William Thomson, kjent som Lord Kelvin, sammen med bidragene fra fysikeren Max Planck, uttalte umuligheten av termiske enheter med en effektivitet på 100 %, da det alltid vil være varmetap.
Anvendelser av termodynamikkens andre lov
Termodynamikkens andre lov brukes på varmemotorer og kjøleskap.
Andre lov om termodynamikk i maskiner termisk
Til Termiske maskiner er i stand til å omdanne varme til arbeid. En varm kilde leverer varme til varmemotoren, som gjør den til arbeid. Resten av varmen sender den til den kalde kilden, som vist på bildet nedenfor:
Noen eksempler på termiske maskiner er: damp- og parafinturbiner i jetfly, forbrenningsmotorer, termonukleære reaktorer.
Andre lov om termodynamikk i kjøleskap
Kjøleskap er maskiner som De fungerer på motsatt måte til å varme motorer., hvor de fjerner varme fra en region med temperatur lavere temperatur og tilfør den til et område med høyere temperatur. Siden dette ikke er naturlig, er det nødvendig for maskinen å utføre arbeid ved hjelp av elektrisk energi, som beskrevet i bildet nedenfor:
Noen eksempler på kjøleskap er kjøleskap og klimaanlegg.
Entropi og termodynamikkens andre lov
EN termodynamikkens andre lov foreslår eksistensen av entropi, en fysisk mengde ansvarlig for å måle graden av desorganisering av partikler i et fysisk system eller graden av irreversibilitet av termodynamiske prosesser involvert i varmemotorer, som er en spontan, uunngåelig, irreversibel og ekspansiv. Med dette er det kun mulig å observere og inneholde graden av flyktighet i prosessene. Etter hvert som entropien øker, øker også graden av uorden i systemet.
EN Entropi nomenklatur er av gresk opprinnelse og betyr "transformasjon"., "endre", og blir dermed brukt i Fysisk for å indikere tilfeldighet og uorden. Entropi kan beregnes ved hjelp av formelen:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) er entropiendringen, målt i [J/K].
\(∆U\) er endringen i indre energi, målt i Joule [J].
T er temperaturen, målt i Kelvin [K].
Fra et statistisk synspunkt beregnes entropi med formelen:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S er entropien, målt i [J/K].
k er Boltzmann-konstanten, den er verdt \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω er antall mulige mikrotilstander for systemet.
Les også: Varmeforplantningsprosesser
Formler for termodynamikkens andre lov
Termiske maskiner og kjøleskap
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) er varmen til den varme kilden, målt i Joule [J].
W er arbeidet utført av varmemotoren, målt i Joule [J].
\(Q_F\) er varmen fra kuldekilden, målt i Joule [J].
Det kan representeres av:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W er arbeidet utført av varmemotoren, målt i Joule [J].
\(Q_Q\) er varmen til den varme kilden, målt i Joule [J].
\(Q_F\) er varmen fra kuldekilden, målt i Joule [J].
Kjøleskap
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) er effektiviteten til kjøleskapet.
\(Q_F\) er varmen fra kuldekilden, målt i Joule [J].
\(Q_Q\) er varmen til den varme kilden, målt i Joule [J].
Det kan representeres som:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) er effektiviteten til kjøleskapet.
\(Q_F\) er varmen fra kuldekilden, målt i Joule [J].
W er arbeidet utført av varmemotoren, målt i Joule [J].
Eksempler bruk av formler
Eksempel 1: Regn ut arbeidet som en varmemotor gjør i løpet av en syklus som mottar 500 J varme fra den varme kilden og overfører bare 400 J varme til den kalde kilden.
For å beregne arbeidet til en varmemotor, vil vi bruke formelen:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Erstatter verdiene som er angitt i uttalelsen:
\(W=500-400\)
\(W=100\ J\)
Arbeidet til varmemotoren var 100 Joule.
Eksempel 2: Hva er effektiviteten til et kjøleskap som mottar 150 J varme fra den varme kilden og overfører 50 J varme til den kalde kilden?
For å beregne effektiviteten til et kjøleskap, bruker vi formelen:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Ved å erstatte verdiene gitt i uttalelsen får vi:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Multiplisere avkastningen med 100 %:
\(η=0,5\cdot100 %\)
\(η=50\%\)
Kjøleskapet har 50 % effektivitet.
Carnot syklus
Carnot-syklusen var utviklet av vitenskapsmannen Sadi Carnot (1796-1832), med det formål å identifisere den maksimale effektiviteten som kan oppnås av en termisk motor som opererer mellom en varm kilde og en kald kilde.
Basert på studiene hans identifiserte Carnot at det er det for å oppnå maksimal effektivitet fra en varmemotor nødvendig for at prosessen hans skal være reversibel, så han utviklet den maksimale avkastningssyklusen kalt syklusen av Carnot, og Varmemotoren som jobber gjennom den kalles en Carnot varmemotor.. Siden Carnot-syklusen er reversibel, kan den reverseres, som er hvordan kjøleskap ble utviklet.
Carnot-syklusen, uavhengig av stoffet som brukes, er sammensatt av fire prosesser beskrevet i grafen for trykk etter volum (p×V), som vi kan se på bildet nedenfor:
1. prosess, fra punkt 1 → 2: det er en reversibel isoterm ekspansjon (prosess der temperaturen forblir konstant), der gassen (eller systemet) fungerer og henter en mengde varme fra den varme kilden.
2. prosess, fra punkt 2 → 3: det er en adiabatisk ekspansjon (prosess der det er varmeveksling med det ytre miljø) reversibel, der det ikke er varmeveksling varme med termiske kilder, men gassen virker og det er en reduksjon i dens indre energi, noe som forårsaker en reduksjon i temperatur.
3. prosess, fra punkt 3 → 4: det oppstår en reversibel isotermisk kompresjon, hvor gassen får arbeid og avgir en mengde varme til den kalde kilden.
Fjerde prosess, fra punkt 4 → 1: det oppstår en reversibel adibatisk kompresjon, der ingen varmeveksling med de termiske kildene finner sted og gassen er oppvarmet til den når temperaturen til den varme kilden, og dermed settes i kontakt med den, og avslutter syklus.
termodynamikkens lover
Termodynamikkens lover er fire lover som styrer hele studiet av termodynamikk, studere sammenhengene mellom volum, temperatur og trykk og andre fysiske størrelser, som varme og energi.
Termodynamikkens nullte lov: er loven om termisk balanse, studerer den utvekslingen av varme mellom kropper som har forskjellige temperaturer.
termodynamikkens første lov: er loven om bevaring av energi i termodynamiske systemer, den studerer transformasjonen av varme til arbeid og/eller intern energi.
Termodynamikkens andre lov: det er loven som omhandler varmemotorer, kjøleskap og entropi.
Termodynamikkens tredje lov: er loven om absolutt null, studerer hun effekten av denne temperaturen.
Les også: Ytelse til varmemotorer
Løste øvelser om termodynamikkens andre lov
Spørsmål 1 Bestem temperaturen på den varme kilden til en Carnot-motor, vel vitende om at temperaturen på den kalde kilden er 450 K og dens effektivitet er 80 %.
a) 2250 K
b) 450K
c) 1500K
d) 900K
e) 3640 K
Vedtak:
Alternativ A. Vi vil beregne temperaturen til den varme kilden basert på effektivitetsformelen til en Carnot-motor:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
spørsmål 2 (Cefet-PR) Termodynamikkens 2. prinsipp kan si som følger: «Det er umulig å bygge en maskin termisk energi som opererer i sykluser, hvis eneste effekt er å fjerne varme fra en kilde og konvertere den integrert til arbeid". I forlengelsen fører dette prinsippet oss til å konkludere med at:
a) Det er alltid mulig å bygge termiske maskiner hvis effektivitet er 100 %.
b) enhver varmemotor trenger bare én varmekilde.
c) varme og arbeid er ikke homogene mengder.
d) enhver varmemotor trekker varme fra en varm kilde og avviser en del av den varmen til en kald kilde.
e) bare med en kald kilde, alltid holdt på 0 °C, vil det være mulig for en bestemt varmemotor å omdanne varme helt til arbeid.
Vedtak:
Alternativ D. Dette prinsippet informerer oss om at det er umulig å fjerne all varmen fra den varme kilden og overføre den til den kalde kilden.
Merk
|1| Grunnleggende fysikkkurs: Fluids, Oscillations and Waves, Heat (vol. 2).
Av Pamella Raphaella Melo
Fysikklærer
Kilde: Brasil skole - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm