A drugi zakon termodinamike narekuje, kakšni pogoji obstajajo za toplota pretvoriti v delo v toplotnih strojih in hladilnikih. Obravnava tudi definicijo entropija kot pojav, s katerim je mogoče izmeriti neorganiziranost delcev v fizičnih sistemih.
Preberite tudi: Kalorimetrija - veja fizike, ki preučuje izmenjavo toplote
Teme tega članka
- 1 - Povzetek drugega zakona termodinamike
- 2 - Kaj je drugi zakon termodinamike?
-
3 - Uporaba drugega zakona termodinamike
- Drugi zakon termodinamike v toplotnih strojih
- Drugi zakon termodinamike v hladilnikih
- 4 - Entropija in drugi zakon termodinamike
-
5 - Formule drugega zakona termodinamike
- Toplotni stroji in hladilniki
- Hladilniki
- Primeri uporabe formul
- 6 - Carnotov cikel
- 7 - Zakoni termodinamike
- 8 - Rešene vaje iz drugega zakona termodinamike
Povzetek o drugem zakonu termodinamike
Drugi zakon termodinamike predstavljata Clausiusova in Kelvin-Planckova izjava.
Clausiusova izjava obravnava pretok toplote od bolj vročega telesa k hladnejšemu telesu.
Kelvin-Planckova izjava obravnava nezmožnost termalnih naprav, da pretvorijo vso svojo toploto v delo.
Drugi zakon termodinamike se uporablja za toplotne stroje in hladilnike.
Carnotov cikel je cikel z največjim izkoristkom, ki ga dosežejo toplotni motorji.
Carnotov cikel ima štiri stopnje, reverzibilno izotermno ekspanzijo, reverzibilno adiabatno ekspanzijo, reverzibilno izotermno kompresijo in reverzibilno adiabatno kompresijo.
Carnotov izrek se nanaša na izkoristek Carnotovi stroji.
Kaj je drugi zakon termodinamike?
Drugi zakon termodinamike je a zakon, ki obravnava omejitve, ki se pojavljajo v termodinamičnih procesih. Izrekli so ga fiziki Rudolf Clausius (1822-1888), Lord Kelvin (1824-1907) in Max Planck (1858-1947), kot bomo videli spodaj:
Fizik in matematik Rudolf Clausius je trdil, da prevodni tok toplote poteka od telesa z višjo temperaturo do telesa z nižjo temperaturo. nižjo temperaturo, zato ni naravno, da pride do obratnega procesa, zato je treba opraviti dela na tem sistem. S tem je izjavil:
Nemogoče je izvesti proces, katerega edini učinek je prenos toplote s hladnejšega telesa na bolj vroče telo.|1|
Matematični fizik William Thomson, znan kot Lord Kelvin, je skupaj s prispevki fizika Maxa Plancka, izjavil, da toplotne naprave ne morejo imeti 100-odstotnega izkoristka, saj bodo toplotne izgube vedno.
Ne nehaj zdaj... Po reklami je več ;)
Uporaba drugega zakona termodinamike
Drugi zakon termodinamike se uporablja za toplotne stroje in hladilnike.
Drugi zakon termodinamike v strojih termični
Za Toplotni stroji so sposobni pretvarjati toploto v delo. Vroč vir dovaja toploto toplotnemu stroju, ki jo pretvori v delo. Preostanek toplote pošlje viru hladu, kot je prikazano na spodnji sliki:
Nekateri primeri toplotnih strojev so: parne in kerozinske turbine v reaktivnih letalih, motorji z notranjim izgorevanjem, termonuklearni reaktorji.
Drugi zakon termodinamike v hladilnikih
Hladilniki so stroji, ki Delujejo v nasprotju s segrevanjem motorjev., kjer odvajajo toploto iz regije z temperaturo nižjo temperaturo in jo dovajajo v območje z višjo temperaturo. Ker to ni naravno, je nujno, da stroj opravlja delo z uporabo električne energije, kot je opisano na spodnji sliki:
Nekateri primeri hladilnikov so hladilniki in klimatske naprave.
Entropija in drugi zakon termodinamike
A drugi zakon termodinamike nakazuje obstoj entropije, ena fizikalna količina odgovoren za merjenje stopnje neorganiziranosti delcev v fizikalnem sistemu ali stopnje ireverzibilnosti termodinamični procesi v toplotnih motorjih, ki so spontani, neizogibni, nepovratni in ekspanziven. S tem je mogoče samo opazovati in zadržati stopnjo volatilnosti procesov. S povečevanjem entropije se povečuje tudi stopnja nereda v sistemu.
A Entropijska nomenklatura je grškega izvora in pomeni »preoblikovanje«., "sprememba", zato se uporablja v Fizično za označevanje naključnosti in nereda. Entropijo lahko izračunamo po formuli:
\(∆S=\frac{∆U}T\)
\(∆S\) je sprememba entropije, merjena v [J/K].
\(∆U\) je sprememba notranje energije, merjena v joulih [J].
T je temperatura, merjena v Kelvinih [K].
S statističnega vidika se entropija izračuna po formuli:
\(S=k\cdot ln\ Ω\)
S je entropija, merjena v [J/K].
k je Boltzmannova konstanta, je vredna \(1,4\cdot 10^{-23}\ J/K\).
Ω je število možnih mikrostanj za sistem.
Preberite tudi: Procesi širjenja toplote
Formule drugega zakona termodinamike
Toplotni stroji in hladilniki
\(Q_Q=W+Q_F\)
\(Q_Q\) je toplota vročega vira, merjena v Joulih [J].
W je delo, ki ga opravi toplotni stroj, merjeno v Joulih [J].
\(Q_F\) je toplota iz vira hladu, merjena v Joulih [J].
Lahko ga predstavlja:
\(W=Q_Q-Q_F\)
W je delo, ki ga opravi toplotni stroj, merjeno v Joulih [J].
\(Q_Q\) je toplota vročega vira, merjena v Joulih [J].
\(Q_F\) je toplota iz vira hladu, merjena v Joulih [J].
Hladilniki
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
\(η\) je učinkovitost hladilnika.
\(Q_F\) je toplota iz vira hladu, merjena v Joulih [J].
\(Q_Q\) je toplota vročega vira, merjena v Joulih [J].
Lahko se predstavi kot:
\(η=\frac{Q_F}W\)
\(η\) je učinkovitost hladilnika.
\(Q_F\) je toplota iz vira hladu, merjena v Joulih [J].
W je delo, ki ga opravi toplotni stroj, merjeno v Joulih [J].
Primeri uporabe formul
Primer 1: Izračunajte delo, ki ga opravi toplotni stroj med ciklom, ki prejme 500 J toplote od vročega vira in preda le 400 J toplote hladnemu viru.
Za izračun dela toplotnega stroja bomo uporabili formulo:
\(W=Q_Q-Q_F\)
Zamenjava vrednosti, navedenih v izjavi:
\(Š=500-400\)
\(W=100\ J\)
Delo toplotnega stroja je bilo 100 Joulov.
Primer 2: Kakšen je izkoristek hladilnika, ki prejme 150 J toplote od vročega vira in preda 50 J toplote hladnemu viru?
Za izračun učinkovitosti hladilnika bomo uporabili formulo:
\(η=\frac{Q_F}{Q_Q-Q_F}\)
Če nadomestimo vrednosti, podane v izjavi, dobimo:
\(η=\frac{50}{150-50}\)
\(η=\frac{50}{100}\)
\(η=0,5\)
Pomnožimo donos s 100 %:
\(η=0,5\cdot100%\)
\(η=50\%\)
Hladilnik ima 50% učinkovitost.
Carnotov cikel
Carnotov cikel je bil razvil znanstvenik Sadi Carnot (1796-1832), s ciljem ugotoviti največjo učinkovitost, ki jo lahko doseže termični motor, ki deluje med vročim in hladnim virom.
Na podlagi svojih študij je Carnot ugotovil, da je za dosego največje učinkovitosti toplotnega stroja potrebno, da je njegov proces reverzibilen, zato je razvil cikel največjega donosa, imenovan cikel Carnot in Toplotni motor, ki deluje prek njega, se imenuje Carnotov toplotni stroj.. Ker je Carnotov cikel reverzibilen, ga je mogoče obrniti, tako so bili razviti hladilniki.
Carnotov cikel je ne glede na uporabljeno snov sestavljen iz štirih procesov, opisanih v grafu tlaka glede na prostornino (p×V), kot lahko vidimo na spodnji sliki:
1. postopek, od točke 1 → 2: obstaja reverzibilna izotermna ekspanzija (proces, pri katerem temperatura ostane konstantna), pri kateri plin (ali sistem) deluje in pridobi določeno količino toplote iz vročega vira.
2. postopek, od točke 2 → 3: obstaja reverzibilna adiabatna ekspanzija (proces, pri katerem pride do izmenjave toplote z zunanjim okoljem), pri kateri ni izmenjave toplote segrevajo s toplotnimi viri, vendar plin deluje in pride do zmanjšanja njegove notranje energije, kar povzroči zmanjšanje temperatura.
3. postopek, od točke 3 → 4: pride do reverzibilne izotermne kompresije, pri kateri plin prejme delo in odda količino toplote viru mraza.
4. postopek, od točke 4 → 1: pride do reverzibilne adibatske kompresije, pri kateri ne pride do izmenjave toplote s toplotnimi viri in je plin segreva, dokler ne doseže temperature vročega vira, in tako pride v stik z njim, kar konča cikel.
zakoni termodinamike
Zakoni termodinamike so štirje zakoni, ki urejajo celotno preučevanje termodinamika, preučuje razmerja med prostornino, temperaturo in tlakom ter drugimi fizikalnimi količinami, kot sta toplota in energija.
Ničelni zakon termodinamike: je zakon o toplotno ravnotežje, proučuje izmenjavo toplote med telesi, ki imajo različne temperature.
prvi zakon termodinamike: je zakon o ohranitvi energije v termodinamičnih sistemih, proučuje pretvorbo toplote v delo in/ali notranjo energijo.
Drugi zakon termodinamike: to je pravo, ki obravnava toplotne stroje, hladilnike in entropijo.
Tretji zakon termodinamike: je zakon o absolutna ničla, proučuje učinke te temperature.
Preberite tudi: Učinkovitost toplotnih motorjev
Rešene vaje iz drugega zakona termodinamike
Vprašanje 1 Določite temperaturo vročega vira Carnotovega motorja, pri čemer veste, da je temperatura hladnega vira 450 K in njegov izkoristek 80 %.
a) 2250 K
b) 450K
c) 1500K
d) 900K
e) 3640 K
Resolucija:
Alternativa A. Temperaturo vročega vira bomo izračunali na podlagi formule učinkovitosti Carnotovega motorja:
\(η=1-\frac{T_F}{T_Q} \)
\(80 \%=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(\frac{80}{100}=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8=1-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,8-1=-\frac{450}{T_Q} \)
\(-0,2=-\frac{450}{T_Q} \)
\(0,2=\frac{450}{T_Q} \)
\(T_Q=\frac{450}{0,2}\)
\(T_Q=2250\ K\)
vprašanje 2 (Cefet-PR) 2. princip termodinamike lahko navedemo takole: »Nemogoče je zgraditi stroj toplotna energija, ki deluje v ciklih, katerih edini učinek je odvzem toplote iz vira in njena celovita pretvorba v delo". Razširjeno nas to načelo vodi do zaključka, da:
a) Vedno je mogoče zgraditi toplotne stroje s 100-odstotnim izkoristkom.
b) vsak toplotni stroj potrebuje samo en vir toplote.
c) toplota in delo nista homogeni količini.
d) vsak toplotni stroj črpa toploto iz vročega vira in del te toplote odda hladnemu viru.
e) samo s hladnim virom, ki se vedno vzdržuje pri 0 °C, bi lahko določen toplotni stroj v celoti pretvoril toploto v delo.
Resolucija:
Alternativa D. To načelo nam pove, da je nemogoče odstraniti vso toploto iz vročega vira in jo prenesti na hladen vir.
Opomba
|1| Osnovni predmet fizike: Fluidi, Oscilacije in valovi, Toplota (zv. 2).
Avtor: Pamella Raphaella Melo
Učiteljica fizike
Entropija sistema ni nič drugega kot merilo njegove stopnje neorganiziranosti. Iz koncepta entropije je mogoče oblikovati drugi zakon.
Odkrijte zanimivo zgodovino toplotnih strojev in njihove glavne uporabe.
Ali veste, kaj so termični stroji, termodinamični cikli in učinkovitost? Izvedite več o teh pomembnih konceptih termodinamike.
Dostopite do besedila in spoznajte definicijo prvega zakona termodinamike, poglejte, katere so formule, ki jih ta zakon uporablja, in preverite rešene vaje na to temo.
Izotermna, izovolumetrična in adiabatna transformacija. Spoznajte jih!
Veste, kaj je termodinamika? Dostopajte do besedila, da ugotovite, kateri so najpomembnejši koncepti na to temo, spoznajte zakone termodinamike.
