А второй закон термодинамики диктует, какие условия существуют для нагревать преобразовать в работу в тепловых машинах и холодильниках. В нем также рассматривается определение энтропия как явление, способное измерять дезорганизацию частиц в физических системах.
Читайте также: Калориметрия — раздел физики, изучающий теплообмен.
Резюме по второму закону термодинамики
Второй закон термодинамики представлен утверждениями Клаузиуса и Кельвина-Планка.
Утверждение Клаузиуса имеет дело с потоком тепла от более горячего тела к более холодному.
Заявление Кельвина-Планка касается неспособности тепловых устройств преобразовывать все свое тепло в работа.
Второй закон термодинамики применяется к тепловым двигателям и холодильникам.
Цикл Карно – это цикл максимального КПД, получаемый тепловыми двигателями.
Цикл Карно состоит из четырех стадий: обратимого изотермического расширения, обратимого адиабатического расширения, обратимого изотермического сжатия и обратимого адиабатического сжатия.
Теорема Карно относится к выходу Машины Карно.
Что такое второй закон термодинамики?
Второй закон термодинамики представляет собой закон, учитывающий ограничения, возникающие в термодинамических процессах. Его сформулировали физики Рудольф Клаузиус (1822–1888), лорд Кельвин (1824–1907) и Макс Планк (1858–1947), как мы увидим ниже:
Физик и математик Рудольф Клаузиус утверждал, что кондуктивный поток тепла происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. более низкая температура, следовательно, обратного процесса не происходит, следовательно, необходимо провести работу по этому система. При этом он заявил:
Невозможно осуществить процесс, единственным следствием которого является передача тепла от более холодного тела к более горячему.|1|
Физик-математик Уильям Томсон, известный как лорд Кельвин, вместе с вкладом физика Макса Планка заявил о невозможности тепловых устройств, имеющих КПД 100%, так как всегда будут потери тепла.
Приложения второго закона термодинамики
Второй закон термодинамики применяется к тепловым двигателям и холодильникам.
Второй закон термодинамики в машинах тепловой
К Тепловые машины способны преобразовывать теплоту в работу. Горячий источник подает тепло на тепловую машину, которая превращает его в работу. Остальное тепло он отправляет холодному источнику, как показано на изображении ниже:
Некоторые примеры тепловых машин: паровые и керосиновые турбины в реактивных самолетах, двигатели внутреннего сгорания, термоядерные реакторы.
Второй закон термодинамики в холодильниках
Холодильники – это машины, Они работают противоположно тепловым двигателям., где они отводят тепло от области с температура более низкой температуры и подавать его в область с более высокой температурой. Поскольку это неестественно, необходимо, чтобы машина выполняла работу с использованием электроэнергии, как показано на изображении ниже:
Некоторыми примерами холодильников являются холодильники и кондиционеры.
Энтропия и второй закон термодинамики
А второй закон термодинамики предполагает существование энтропии, один физическое количество отвечает за измерение степени дезорганизации частиц в физической системе или степени необратимости термодинамические процессы в тепловых машинах, являющиеся самопроизвольными, неизбежными, необратимыми и обширный. При этом возможно только наблюдать и сдерживать степень изменчивости процессов. С увеличением энтропии возрастает и степень беспорядка в системе.
А Номенклатура энтропии имеет греческое происхождение и означает «преобразование»., «изменение», поэтому используется в Физический для обозначения случайности и беспорядка. Энтропию можно рассчитать по формуле:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) - изменение энтропии, измеренное в [Дж/К].
\(∆U\) представляет собой изменение внутренней энергии, измеряемое в джоулях [Дж].
T – температура, измеренная в Кельвинах [K].
Со статистической точки зрения энтропия рассчитывается по формуле:
\(S=k\cdot ln\Ом\)
S — энтропия, измеренная в [Дж/К].
k – постоянная Больцмана, стоит \(1,4\cdot 10^{-23}\ Дж/К\).
Ω — количество возможных микросостояний системы.
Читайте также: Процессы распространения тепла
Формулы второго закона термодинамики
Тепловые машины и холодильники
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) теплота горячего источника, измеряемая в джоулях [Дж].
W — работа, совершаемая тепловой машиной, измеряется в джоулях [Дж].
\(Q_F\) это тепло от холодного источника, измеренное в джоулях [Дж].
Он может быть представлен:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W — работа, совершаемая тепловой машиной, измеряется в джоулях [Дж].
\(Q_Q\) теплота горячего источника, измеряемая в джоулях [Дж].
\(Q_F\) это тепло от холодного источника, измеренное в джоулях [Дж].
Холодильники
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) это КПД холодильника.
\(Q_F\) это тепло от холодного источника, измеренное в джоулях [Дж].
\(Q_Q\) теплота горячего источника, измеряемая в джоулях [Дж].
Его можно представить как:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) это КПД холодильника.
\(Q_F\) это тепло от холодного источника, измеренное в джоулях [Дж].
W — работа, совершаемая тепловой машиной, измеряется в джоулях [Дж].
Примеры применения формул
Пример 1: Вычислите работу, которую совершает за цикл тепловая машина, получающая от горячего источника 500 Дж теплоты и отдающая холодному источнику только 400 Дж теплоты.
Для расчета работы тепловой машины воспользуемся формулой:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Подставив значения, указанные в заявлении:
\(Ш=500-400\)
\(Вт=100\ Дж\)
Работа тепловой машины составила 100 Дж.
Пример 2: Какова эффективность холодильника, который получает 150 Дж тепла от горячего источника и отдает 50 Дж тепла холодному источнику?
Для расчета КПД холодильника воспользуемся формулой:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Подставив значения, указанные в ведомости, получим:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Умножение доходности на 100%:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Холодильник имеет КПД 50%.
Цикл Карно
Цикл Карно был разработан ученым Сади Карно (1796-1832), с целью определения максимального КПД, который может быть достигнут тепловым двигателем, работающим между горячим и холодным источниками.
Основываясь на своих исследованиях, Карно определил, что для получения максимального КПД тепловой машины необходимо: необходимо, чтобы его процесс был обратимым, поэтому он разработал цикл максимального выхода, названный циклом Карно, и Тепловая машина, работающая через него, называется тепловой машиной Карно.. Поскольку цикл Карно обратим, его можно обратить вспять, как и были разработаны холодильники.
Цикл Карно, независимо от используемого вещества, состоит из четырех процессов, описанных на графике зависимости давления от объема (p×V), как мы можем видеть на изображении ниже:
1-й процесс, из пункта 1 → 2: имеет место обратимое изотермическое расширение (процесс, при котором температура остается постоянной), при котором газ (или система) совершает работу и получает некоторое количество тепла от горячего источника.
2-й процесс, из пункта 2 → 3: бывает адиабатическое расширение (процесс, при котором происходит теплообмен с внешней средой) обратимое, при котором теплообмен отсутствует тепла тепловыми источниками, но газ работает и происходит уменьшение его внутренней энергии, вызывая уменьшение температура.
3-й процесс, из пункта 3 → 4: происходит обратимое изотермическое сжатие, при котором газ получает работу и отдает некоторое количество теплоты холодному источнику.
4-й процесс, из пункта 4 → 1: происходит обратимое адиабатическое сжатие, при котором не происходит теплообмена с тепловыми источниками и газ нагревается до тех пор, пока не достигнет температуры горячего источника, и, таким образом, будет соприкасаться с ним, заканчивая цикл.
законы термодинамики
Законы термодинамики — это четыре закона, которые управляют всем изучением термодинамика, изучить отношения между объемом, температурой и давлением и другими физическими величинами, такими как теплота и энергия.
Нулевой закон термодинамики: это закон тепловой баланс, она изучает теплообмен между телами, имеющими разную температуру.
первый закон термодинамики: закон сохранения энергии в термодинамических системах, он изучает превращение теплоты в работу и/или внутреннюю энергию.
Второй закон термодинамики: это закон, который имеет дело с тепловыми двигателями, холодильниками и энтропией.
Третий закон термодинамики: это закон абсолютный ноль, она изучает влияние этой температуры.
Читать тоже: Производительность тепловых двигателей
Решенные упражнения по второму закону термодинамики
Вопрос 1 Определить температуру горячего источника двигателя Карно, зная, что температура холодного источника 450 К и его КПД 80%.
а) 2250К
б) 450К
в) 1500К
г) 900К
д) 3640 К
Разрешение:
Альтернатива А. Рассчитаем температуру горячего источника по формуле КПД двигателя Карно:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ К\)
вопрос 2 (Cefet-PR) 2-й принцип термодинамики можно сформулировать так: «Невозможно построить машину тепловая энергия, работающая циклами, единственным эффектом которой является отвод тепла от источника и полное преобразование его в работа". В более широком смысле этот принцип приводит нас к выводу, что:
а) Всегда можно построить тепловые машины с КПД 100%.
б) любой тепловой машине нужен только один источник тепла.
в) теплота и работа не являются однородными величинами.
г) любая тепловая машина получает тепло от горячего источника и отдает часть этого тепла холодному источнику.
д) только при наличии холодного источника, всегда поддерживаемого при температуре 0 °С, определенная тепловая машина могла бы полностью преобразовывать теплоту в работу.
Разрешение:
Альтернатива Д. Этот принцип сообщает нам, что невозможно отобрать все тепло от горячего источника и передать его холодному источнику.
Примечание
|1| Базовый курс физики: жидкости, колебания и волны, тепло (т. 2).
Памелла Рафаэлла Мело
Учитель физики
Источник: Бразильская школа - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/segunda-lei-da-termodinamica.htm