A druga zasada termodynamiki dyktuje, jakie warunki istnieją dla ciepło przerobić na pracę w silnikach cieplnych i lodówkach. Odnosi się również do definicji entropia jako zjawisko zdolne do pomiaru dezorganizacji cząstek w układach fizycznych.
Przeczytaj też: Kalorymetria — dział fizyki zajmujący się badaniem wymiany ciepła
Podsumowanie drugiej zasady termodynamiki
Druga zasada termodynamiki jest reprezentowana przez stwierdzenia Clausiusa i Kelvina-Plancka.
Twierdzenie Clausiusa dotyczy przepływu ciepła z ciała cieplejszego do ciała zimniejszego.
Oświadczenie Kelvina-Plancka odnosi się do niezdolności urządzeń termicznych do przekształcania całego ciepła praca.
Druga zasada termodynamiki dotyczy silników cieplnych i lodówek.
Cykl Carnota to cykl o maksymalnej sprawności uzyskiwany przez silniki cieplne.
Cykl Carnota ma cztery etapy: odwracalną ekspansję izotermiczną, odwracalną ekspansję adiabatyczną, odwracalną kompresję izotermiczną i odwracalną kompresję adiabatyczną.
Twierdzenie Carnota odnosi się do wydajności maszyny Carnota.
Jaka jest druga zasada termodynamiki?
Druga zasada termodynamiki to A prawo odnoszące się do ograniczeń występujących w procesach termodynamicznych. Zostało to ogłoszone przez fizyków Rudolfa Clausiusa (1822-1888), Lorda Kelvina (1824-1907) i Maxa Plancka (1858-1947), jak zobaczymy poniżej:
Fizyk i matematyk Rudolf Clausius stwierdził, że przepływ ciepła przez przewodzenie zachodzi od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. niższa temperatura, dlatego nie jest naturalny proces odwrotny, dlatego konieczne jest przeprowadzenie prac nad tym system. Z tym stwierdził:
Niemożliwe jest przeprowadzenie procesu, którego jedynym skutkiem jest przekazanie ciepła z ciała zimniejszego do ciała cieplejszego.|1|
Fizyk matematyczny William Thomson, znany jako Lord Kelvin, wraz z wkładem fizyka Maxa Plancka, stwierdził niemożliwość urządzeń termicznych o sprawności 100%, ponieważ zawsze będą straty ciepła.
Zastosowania drugiej zasady termodynamiki
Druga zasada termodynamiki dotyczy silników cieplnych i lodówek.
Druga zasada termodynamiki w maszynach termiczny
Do Maszyny termiczne są zdolne do zamiany ciepła na pracę. Gorące źródło dostarcza ciepło do silnika cieplnego, który zamienia je w pracę. Resztę ciepła wysyła do źródła zimna, jak pokazano na poniższym obrazku:
Przykładami maszyn cieplnych są: turbiny parowe i naftowe w samolotach odrzutowych, silniki spalinowe, reaktory termojądrowe.
Druga zasada termodynamiki w lodówkach
Lodówki to maszyny, które Działają w odwrotny sposób niż silniki cieplne., gdzie usuwają ciepło z regionu z temperatura niższą temperaturę i dostarczyć ją do regionu o wyższej temperaturze. Ponieważ nie jest to naturalne, konieczne jest, aby maszyna wykonywała pracę z wykorzystaniem energii elektrycznej, jak pokazano na poniższym obrazku:
Niektóre przykłady lodówek to lodówki i klimatyzatory.
Entropia i druga zasada termodynamiki
A druga zasada termodynamiki sugeruje istnienie entropii, jeden wielkość fizyczna odpowiedzialny za pomiar stopnia dezorganizacji cząstek w układzie fizycznym lub stopnia nieodwracalności procesy termodynamiczne zachodzące w silnikach cieplnych, będące samorzutnymi, nieuchronnymi, nieodwracalnymi i ekspansywny. Dzięki temu możliwe jest jedynie obserwowanie i ograniczanie stopnia zmienności procesów. Wraz ze wzrostem entropii wzrasta również stopień nieuporządkowania w systemie.
A Nazewnictwo entropii jest pochodzenia greckiego i oznacza „transformację”., „zmiana”, dlatego jest używany w Fizyczny wskazywać na przypadkowość i nieład. Entropię można obliczyć za pomocą wzoru:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) to zmiana entropii mierzona w [J/K].
\(∆U\) to zmiana energii wewnętrznej mierzona w dżulach [J].
T to temperatura mierzona w kelwinach [K].
Ze statystycznego punktu widzenia entropię oblicza się według wzoru:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S to entropia mierzona w [J/K].
k jest stałą Boltzmanna, warto \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω to liczba możliwych mikrostanów dla systemu.
Przeczytaj też: Procesy propagacji ciepła
Wzory drugiej zasady termodynamiki
Maszyny termiczne i lodówki
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) to ciepło gorącego źródła, mierzone w dżulach [J].
W to praca wykonana przez silnik cieplny, mierzona w dżulach [J].
\(Q_F\) to ciepło ze źródła zimna, mierzone w dżulach [J].
Może być reprezentowany przez:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W to praca wykonana przez silnik cieplny, mierzona w dżulach [J].
\(Q_Q\) to ciepło gorącego źródła, mierzone w dżulach [J].
\(Q_F\) to ciepło ze źródła zimna, mierzone w dżulach [J].
Lodówki
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) to wydajność lodówki.
\(Q_F\) to ciepło ze źródła zimna, mierzone w dżulach [J].
\(Q_Q\) to ciepło gorącego źródła, mierzone w dżulach [J].
Można to przedstawić jako:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) to wydajność lodówki.
\(Q_F\) to ciepło ze źródła zimna, mierzone w dżulach [J].
W to praca wykonana przez silnik cieplny, mierzona w dżulach [J].
Przykłady stosowania formuł
Przykład 1: Oblicz pracę wykonaną przez silnik cieplny podczas cyklu, w którym otrzymuje 500 J ciepła z gorącego źródła i przekazuje tylko 400 J ciepła do zimnego źródła.
Aby obliczyć pracę silnika cieplnego, użyjemy wzoru:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Podstawiając wartości wskazane w oświadczeniu:
\(szer.=500-400\)
\(W=100\ J\)
Praca silnika cieplnego wynosiła 100 dżuli.
Przykład 2: Jaka jest wydajność lodówki, która odbiera 150 J ciepła z gorącego źródła i przekazuje 50 J ciepła do zimnego źródła?
Aby obliczyć wydajność lodówki, użyjemy wzoru:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Podstawiając wartości podane w zestawieniu otrzymujemy:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Mnożąc wydajność przez 100%:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Lodówka ma sprawność 50%.
Cykl Carnota
Cykl Carnota był opracowany przez naukowca Sadi Carnot (1796-1832), w celu określenia maksymalnej sprawności, jaką może osiągnąć silnik cieplny pracujący między gorącym a zimnym źródłem.
Na podstawie swoich badań Carnot stwierdził, że aby uzyskać maksymalną wydajność silnika cieplnego, tak jest konieczne, aby jego proces był odwracalny, więc opracował cykl maksymalnej wydajności zwany cyklem Carnota i Silnik cieplny, który przez to działa, nazywa się silnikiem cieplnym Carnota.. Ponieważ cykl Carnota jest odwracalny, można go odwrócić, tak powstały lodówki.
Cykl Carnota, niezależnie od użytej substancji, składa się z czterech procesów opisanych na wykresie ciśnienia objętościowego (p×V), co widać na poniższym obrazku:
1. proces, od punktu 1 → 2: zachodzi odwracalne rozprężanie izotermiczne (proces, w którym temperatura pozostaje stała), w którym gaz (lub układ) działa i pobiera pewną ilość ciepła z gorącego źródła.
II proces, od punktu 2 → 3: zachodzi rozprężanie adiabatyczne (proces, w którym zachodzi wymiana ciepła z otoczeniem zewnętrznym) odwracalne, w którym nie zachodzi wymiana ciepła ciepła ze źródłami termicznymi, ale gaz działa i następuje spadek jego energii wewnętrznej, co powoduje spadek temperatura.
Trzeci proces, od punktu 3 → 4: zachodzi odwracalna kompresja izotermiczna, w której gaz otrzymuje pracę i oddaje pewną ilość ciepła do źródła zimna.
Czwarty proces, od punktu 4 → 1: zachodzi odwracalna kompresja adybatyczna, w której nie zachodzi wymiana ciepła ze źródłami termicznymi, a gaz jest podgrzany, aż osiągnie temperaturę gorącego źródła, a tym samym zetknie się z nim, kończąc cykl.
prawa termodynamiki
Prawa termodynamiki to cztery prawa rządzące całym badaniem termodynamika, badać zależności między objętością, temperaturą i ciśnieniem a innymi wielkościami fizycznymi, takimi jak ciepło i energia.
Zerowa zasada termodynamiki: jest prawem bilans cieplny, bada wymianę ciepła między ciałami o różnych temperaturach.
pierwsza zasada termodynamiki: jest prawem zachowania energii w układach termodynamicznych, zajmuje się przemianą ciepła w pracę i/lub energię wewnętrzną.
Druga zasada termodynamiki: to prawo dotyczy silników cieplnych, lodówek i entropii.
Trzecia zasada termodynamiki: jest prawem zero absolutne, bada wpływ tej temperatury.
Przeczytaj też: Osiągi silników cieplnych
Rozwiązane ćwiczenia z drugiej zasady termodynamiki
Pytanie 1 Wyznacz temperaturę gorącego źródła silnika Carnota, wiedząc, że temperatura zimnego źródła wynosi 450 K, a jego sprawność wynosi 80%.
a) 2250 K
b) 450 tys
c) 1500 tys
d) 900 tys
e) 3640K
Rezolucja:
Alternatywa A. Temperaturę gorącego źródła obliczymy na podstawie wzoru na sprawność silnika Carnota:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
pytanie 2 (Cefet-PR) Drugą zasadę termodynamiki można sformułować w następujący sposób: „Niemożliwe jest zbudowanie maszyny energia cieplna działająca w cyklach, której jedynym efektem jest odebranie ciepła ze źródła i integralne przekształcenie go w praca". Co za tym idzie, zasada ta prowadzi nas do wniosku, że:
a) Zawsze można zbudować maszyny termiczne, których sprawność wynosi 100%.
b) każdy silnik cieplny potrzebuje tylko jednego źródła ciepła.
c) ciepło i praca nie są wielkościami jednorodnymi.
d) dowolny silnik cieplny pobiera ciepło z gorącego źródła i oddaje część tego ciepła do zimnego źródła.
e) tylko przy źródle zimna, zawsze utrzymywanym w temperaturze 0°C, pewien silnik cieplny byłby w stanie całkowicie przekształcić ciepło w pracę.
Rezolucja:
Alternatywa D. Zasada ta informuje nas, że nie jest możliwe usunięcie całego ciepła ze źródła gorącego i przekazanie go do źródła zimnego.
Notatka
|1| Podstawowy kurs fizyki: płyny, oscylacje i fale, ciepło (cz. 2).
Pamella Raphaella Melo
Nauczyciel fizyki
Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm