A a doua lege a termodinamicii dictează ce condiții există pentru căldură să fie transformat în lucru în motoare termice și frigidere. Se adresează, de asemenea, definiției entropie ca fenomen capabil să măsoare dezorganizarea particulelor în sistemele fizice.
Citeste si: Calorimetria - ramură a fizicii care studiază schimbul de căldură
Rezumat al celei de-a doua lege a termodinamicii
A doua lege a termodinamicii este reprezentată de afirmațiile Clausius și Kelvin-Planck.
Afirmația Clausius tratează fluxul de căldură de la corpul mai fierbinte la corpul mai rece.
Declarația Kelvin-Planck abordează incapacitatea dispozitivelor termice de a-și transforma toată căldura în muncă.
A doua lege a termodinamicii se aplică motoarelor termice și frigiderelor.
Ciclul Carnot este ciclul de eficiență maximă obținut de motoarele termice.
Ciclul Carnot are patru etape, o expansiune izotermă reversibilă, o dilatare adiabatică reversibilă, o compresie izotermă reversibilă și o compresie adiabatică reversibilă.
Teorema lui Carnot se referă la randamentul lui Mașini Carnot.
Care este a doua lege a termodinamicii?
A doua lege a termodinamicii este a lege care abordează constrângerile care apar în procesele termodinamice. A fost enunțată de fizicienii Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) și Max Planck (1858-1947), după cum vom vedea mai jos:
Fizicianul și matematicianul Rudolf Clausius a afirmat că fluxul de conducție a căldurii are loc de la corpul cu temperatură superioară către corpul cu temperatură inferioară. temperatură mai scăzută, prin urmare, nu este firesc să aibă loc procesul invers, prin urmare, este necesar să se efectueze lucrări la acest lucru sistem. Cu aceasta, el a declarat:
Este imposibil să se realizeze un proces al cărui singur efect este transferul căldurii de la un corp mai rece la un corp mai fierbinte.|1|
Fizicianul matematician William Thomson, cunoscut sub numele de Lord Kelvin, împreună cu contribuțiile fizicianului Max Planck, a afirmat imposibilitatea ca dispozitivele termice să aibă o eficiență de 100%, deoarece întotdeauna vor exista pierderi de căldură.
Aplicații ale celei de-a doua legi a termodinamicii
A doua lege a termodinamicii se aplică motoarelor termice și frigiderelor.
A doua lege a termodinamicii la mașini termic
La Mașini termice sunt capabili să transforme căldura în muncă. O sursă fierbinte furnizează căldură motorului termic, care îl transformă în lucru. Restul căldurii pe care o trimite la sursa rece, așa cum se arată în imaginea de mai jos:
Câteva exemple de mașini termice sunt: turbinele cu abur și kerosen în avioane cu reacție, motoare cu ardere, reactoare termonucleare.
A doua lege a termodinamicii în frigidere
Frigiderele sunt mașini care Ele funcționează în mod opus încălzirii motoarelor., unde elimină căldura dintr-o regiune cu temperatura temperatură mai scăzută și o furnizează unei regiuni cu o temperatură mai ridicată. Deoarece acest lucru nu este natural, este necesar ca mașina să efectueze lucrări folosind energie electrică, așa cum este descris în imaginea de mai jos:
Câteva exemple de frigidere sunt frigiderele și aparatele de aer condiționat.
Entropia și a doua lege a termodinamicii
A a doua lege a termodinamicii propune existența entropiei, unu cantitate fizica responsabil de măsurarea gradului de dezorganizare a particulelor într-un sistem fizic sau a gradului de ireversibilitate a procesele termodinamice implicate în motoarele termice, fiind un spontan, inevitabil, ireversibil și expansiv. Cu aceasta, este posibil doar să se observe și să se conțină gradul de volatilitate al proceselor. Pe măsură ce entropia crește, crește și gradul de dezordine în sistem.
A Nomenclatura entropică este de origine greacă și înseamnă „transformare”., „schimbare”, fiind astfel folosit în Fizic pentru a indica aleatoriu și dezordine. Entropia poate fi calculată folosind formula:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) este modificarea entropiei, măsurată în [J/K].
\(∆U\) este modificarea energiei interne, măsurată în Jouli [J].
T este temperatura, măsurată în Kelvin [K].
Din punct de vedere statistic, entropia se calculează prin formula:
\(S=k\cdot ln\Ω\)
S este entropia, măsurată în [J/K].
k este constanta Boltzmann, merită \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω este numărul de microstări posibile pentru sistem.
Citeste si: Procese de propagare a căldurii
Formulele celei de-a doua legi a termodinamicii
Mașini termice și frigidere
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) este căldura sursei fierbinți, măsurată în Jouli [J].
W este munca efectuată de motorul termic, măsurată în Jouli [J].
\(Q_F\) este căldura de la sursa rece, măsurată în Jouli [J].
Poate fi reprezentat prin:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W este munca efectuată de motorul termic, măsurată în Jouli [J].
\(Q_Q\) este căldura sursei fierbinți, măsurată în Jouli [J].
\(Q_F\) este căldura de la sursa rece, măsurată în Jouli [J].
Frigidere
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) este randamentul frigiderului.
\(Q_F\) este căldura de la sursa rece, măsurată în Jouli [J].
\(Q_Q\) este căldura sursei fierbinți, măsurată în Jouli [J].
Poate fi reprezentat ca:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) este randamentul frigiderului.
\(Q_F\) este căldura de la sursa rece, măsurată în Jouli [J].
W este munca efectuată de motorul termic, măsurată în Jouli [J].
Exemple de aplicare a formulelor
Exemplul 1: Calculați munca pe care o face un motor termic în timpul unui ciclu care primește 500 J de căldură de la sursa fierbinte și transferă doar 400 J de căldură către sursa rece.
Pentru a calcula munca unui motor termic, vom folosi formula:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Înlocuind valorile indicate în declarație:
\(L=500-400\)
\(W=100\ J\)
Munca motorului termic a fost de 100 de jouli.
Exemplul 2: Care este randamentul unui frigider care primește 150 J de căldură de la sursa fierbinte și transferă 50 J de căldură către sursa rece?
Pentru a calcula eficiența unui frigider, vom folosi formula:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Înlocuind valorile date în enunț, obținem:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Înmulțirea randamentului cu 100%:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Frigiderul are o eficienta de 50%.
Ciclul Carnot
Ciclul Carnot a fost dezvoltat de omul de știință Sadi Carnot (1796-1832), cu scopul de a identifica randamentul maxim la care poate fi atins un motor termic care functioneaza intre o sursa calda si una rece.
Pe baza studiilor sale, Carnot a identificat că, pentru a obține randamentul maxim de la un motor termic, așa este necesar pentru ca procesul său să fie reversibil, așa că a dezvoltat ciclul de randament maxim numit ciclul de Carnot și Motorul termic care funcționează prin el se numește motor termic Carnot.. Deoarece ciclul Carnot este reversibil, acesta poate fi inversat, așa cum au fost dezvoltate frigiderele.
Ciclul Carnot, indiferent de substanța folosită, este compus din patru procese descrise în graficul presiunii în volum (p×V), după cum putem vedea în imaginea de mai jos:
Primul proces, de la punctul 1 → 2: are loc o dilatare izotermă reversibilă (proces în care temperatura rămâne constantă), în care gazul (sau sistemul) funcționează și capătă o cantitate de căldură din sursa fierbinte.
Al 2-lea proces, de la punctul 2 → 3: are loc o dilatare adiabatica (proces in care are loc schimb de caldura cu mediul extern) reversibila, in care nu are loc schimb de caldura căldură cu surse termice, dar gazul funcționează și are loc o scădere a energiei sale interne, determinând o scădere a temperatura.
Al 3-lea proces, de la punctul 3 → 4: are loc o compresie izotermă reversibilă, în care gazul primește lucru și cedează o cantitate de căldură sursei reci.
Al 4-lea proces, de la punctul 4 → 1: are loc o compresie adibatică reversibilă, în care nu are loc schimb de căldură cu sursele termice și gazul este incalzit pana ajunge la temperatura sursei fierbinti, si astfel sa fie pus in contact cu aceasta, incheind ciclu.
legile termodinamicii
Legile termodinamicii sunt patru legi care guvernează întregul studiu al termodinamica, studiază relațiile dintre volum, temperatură și presiune și alte cantități fizice, cum ar fi căldura și energia.
Legea zero a termodinamicii: este legea a echilibru termic, studiază schimbul de căldură între corpuri care au temperaturi diferite.
prima lege a termodinamicii: este legea conservării energiei în sistemele termodinamice, studiază transformarea căldurii în muncă și/sau energie internă.
A doua lege a termodinamicii: este legea care se ocupă de motoarele termice, frigiderele și entropia.
A treia lege a termodinamicii: este legea a zero absolut, ea studiază efectele acestei temperaturi.
Citeste si tu: Performanța motoarelor termice
Exerciții rezolvate pe cea de-a doua lege a termodinamicii
intrebarea 1 Determinați temperatura sursei fierbinți a unui motor Carnot, știind că temperatura sursei reci este de 450 K și randamentul acesteia este de 80%.
a) 2250K
b) 450K
c) 1500K
d) 900K
e) 3640 K
Rezoluţie:
Alternativa A. Vom calcula temperatura sursei fierbinți pe baza formulei de eficiență a unui motor Carnot:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
intrebarea 2 (Cefet-PR) Al doilea principiu al termodinamicii poate fi afirmat astfel: „Este imposibil să construiești o mașină energie termică care funcționează în cicluri, al cărui singur efect este de a elimina căldura dintr-o sursă și de a o transforma integral în muncă". Prin extensie, acest principiu ne conduce la concluzia că:
a) Este întotdeauna posibil să se construiască mașini termice a căror eficiență este de 100%.
b) orice motor termic are nevoie de o singură sursă de căldură.
c) caldura si munca nu sunt marimi omogene.
d) orice motor termic atrage căldură dintr-o sursă fierbinte și respinge o parte din acea căldură către o sursă rece.
e) numai cu o sursă rece, menținută întotdeauna la 0 °C, ar fi posibil ca un anumit motor termic să transforme căldura în întregime în lucru.
Rezoluţie:
Alternativa D. Acest principiu ne informează că este imposibil să scoatem toată căldura de la sursa fierbinte și să o transferăm la sursa rece.
Notă
|1| Curs de fizică de bază: fluide, oscilații și unde, căldură (vol. 2).
De Pamella Raphaella Melo
Profesor de fizică
Sursă: Brazilia școală - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm